病毒和斑马鱼测绘大脑地图

我们知道在大脑中的某些地方存在过多或过少的连结通路,都会导致如神经发育迟滞、自闭症或者精神分裂症等疾病。但是这些疾病都是高级精神及认知功能的异常,鱼类连皮层都不具备,对鱼脑的测绘如何能有助于认识这些疾病的机理吗?

作者说:“人与鱼的疾病基因型会有很多的不同之处,不过我相信同样的疾病基因会在大脑中扮演同样的角色。百分之七十的人类基因在斑马鱼中都有同源基因。我们的目标是利用斑马鱼来了解这些疾病基因是如何影响大脑通路的。”

研究作者最近获得了由美国国家眼科研究所发起的,一个基于病毒工具帮助研究正常脑细胞连结和发现疾病源头的项目190万美金的研究经费。他说:“我们希望在胚胎发育时,大脑细胞分裂、迁移和连结都一切正常。”

本次研究团队的模式生物是斑马鱼,所进行研究的系统是视觉功能系统。作者说:“照大家看来,选择小小的斑马鱼作为研究对象有些奇怪,但身体透明的斑马鱼其实是一个非常棒的生物模型。人的大脑有700亿个细胞,斑马鱼只有10万个,但大脑基本结构是一样的。生长周期短,并且通体透明也是斑马鱼另外两个重要的优势。

研究者观察斑马鱼

研究者Albert Pan(阿尔伯特·潘)正在观察斑马鱼

斑马鱼生命从一个透明的卵中开始,其胚胎发育只需要两天,而生长为成熟个体也只要3个月的时间。在生长到第10天时,斑马鱼就已经相当于人类的儿童阶段,虽然它们的大脑还在发育,但已经能够处理绝大多数生活中的情况,并具有了许多重要的行为习惯,比如学习事物。

“在一条很小的鱼中,你能够观察到脊椎动物大脑一些非常有趣的行为,”潘说到。他是第一位尝试基于病毒工具,在斑马鱼中绘制大脑通路的研究者。

为了更好的观察脑细胞工作时的状态,潘使用的是患有超级白化病、身体缺少色素的突变鱼种。

实验用的斑马鱼进行了是转基因处理,因此发电的脑细胞会自然发光。但要在一台光学显微镜下观察这发生在突出部位、纳米级大小的现象,就是另外一回事了。“如果一个细胞放电,我们可以看见发光现象,并且观察其发光的特点。但你不能够明确细胞是如何与其它细胞联系的,这就很难解答大脑是如何把信息从一个部位传递到另一个部位的,”潘说。

现在有一种病毒可以帮我们做这些“脏累活”:水疱性口炎病毒。它和狂犬病病毒一样,可以在神经突触间通行,但是它不会感染人类。研究者使用标记了荧光的这种病毒,来填补细胞连结之间的空缺。“这个研究方法在技术上最为重大的突破是:你可以观察到这些神经突触的连结处,并且知道一个细胞和另外一个细胞是如何连结的,”作者补充说。

但如果在研究中使用带有荧光标记的病毒来标识突触的连结。如何能够证实病毒的感染不会影响突触连结的方式和时间呢?

作者也认为这是一个非常值得探讨的问题,他认为:“病毒的确可能影响突触连结的方式和时间。当我们完成初步的测绘之后,我们会用其他的实验方法(例如神经生理或是电子显微镜)来测试测绘的准确性。”

已知大脑最基本的组织是神经回路,这些组织在一起的脑细胞为了某些共同的目的而工作,如完成视觉、嗅觉或者肢体运动等。“如果你把大脑比作一台计算机,那么不同的的软件能够做不同的工作,”潘说道。大脑中不同的回路也会整合起来,因此,大脑工作的时候就像一个富有凝聚力的集体。

但对于研究工作的进行来说,神经回路是动态的,不断地处于形成和撤销的过程中,而且鱼每时每刻也都在处理多种信息(视觉、听觉、嗅觉……)、执行多种功能(呼吸、运动……),如何能将神经回路与脑执行的具体功能对应起来呢?

潘认为:“由于斑马鱼是透明的,我们可以结合测绘与神经活性图来观察神经元的活动与大脑功能的关系。”

我们知道,大脑测绘这个研究领域的最终目标可能是:智能(或者至少是逻辑层面的脑功能),其物理层面的基本结构以怎样的方式实现的?现在这个研究能够让人看清物理层面的运作细节,但是物理层面与逻辑层面的联系,怎么来确定呢?

作者回复果壳网说:这的确是一个现今神经科学上的挑战,需要由许多不同领域的科学家来统和大脑丛细胞的行为、运转的机制。

在研究进行中,斑马鱼身体透明的这一特点,这使得研究人员可以直观的看见大脑回路一开始产生时的情况:神经前体细胞会变成神经原细胞,最初是在神经管的圆洞处,然后发展成为大脑和脊髓。当神经前体细胞分裂后,根据其特性会移动到大脑中特有的位置。“细胞可以感觉到其内蛋白质的不同,也知道它们应该去哪里,”潘说道。

神经元会根据通路聚集起来,形成能够传递信号的突触。这些突触有时存在时间很短,只够保证你在食品杂货店内记住苹果的价格,但是走出店门就忘;也有些存在的时间很长,就如你一直记得母亲的声音和面庞。

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