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Cell:新研究揭示胚胎时期神经回路是如何发育的

来源:本站原创 2019-09-27 05:26

2019年9月26日 讯 /生物谷BIOON/ --神经元细胞的发育成熟最初需要从胚胎开始,直至到达神经系统。然而,我们目前并不清楚其中的详细过程。霍华德·休斯医学研究所的科学家Yinan Wan说:“我们目前猜测的很多过程是无法被观测的”。如今,Wan和她的同事们已经开发出了可以直接观察动物活动的工具。


(图片来源:Wan et al, Cell. 2019)

根据该团队的最新成果,利用新的成像技术,他们能够实时追踪斑马鱼神经元的发育过程。相关结果发表在最近的《Cel》l杂志上。这是科学家第一次从头到尾同时跟踪所有神经元的起源,运动和功能活动。
 
新观点
 
Wan与同事Philipp Keller及其团队的其余成员花了大约七年的时间来构建,收集和分析神经元发育过程所需的工具。Keller说:“我们需要的技术可以在单细胞水平上追踪整个胚胎的发育。”找到可以对大面积成像,捕获微小细节或真正快速拍照的显微镜并非难事。但是通常这些功能需要权衡。对于该实验,Keller的团队需要一台可以在微小的生物体上同时完成所有这些工作的显微镜。
 
他们基于此前Keller开发的光栅显微镜。去年,该团队使用类似的技术来观察小鼠胚胎发育过程中细胞分裂,移动并且形成器官的过程。这次,keller团队专注于神经系统,他们不仅追踪细胞的未知,还追踪每个细胞在做什么。
 
首先,科学家培育了带荧光标记的斑马鱼。在胚胎的神经元中,他们成功标记了一个报告神经元活动的分子,以及少数只有在细胞具有特定功能时才存在的关键蛋白质。这些信息使研究小组能够区分不同种类的神经元,并观察这些细胞是否发挥了作用。
 
然后,Keller的小组对斑马鱼胚胎连续观察14个小时,以每秒四张3-D图像的速度捕获所有细胞的运动并跟踪细胞的活动,总共得到了几百万个高分辨率快照。 Wan和其他人在实验室中开发的算法帮助他们重建了单个神经元的路径。合作者Ziziang Wei和Shaul Druckmann开发了用于分析神经元活动模式的计算技术。
 
随着时间的流逝,显微镜图像显示出细胞的移动并找到它们对应位置的过程。结果表明,在单细胞水平上,高度协调的网络活动是如何首先出现,并引起斑马鱼个体早期行为的发生。
 
斯坦福大学(Stanford University)的德鲁克曼(Druckmann)说:“现在许多计算神经科学都围绕着如何理解神经元群体的活动模式而展开。像这样的发展研究增加了一个全新的维度:不仅对当前的群体活动特征有意义,而且对这些模式随着时间的发展和变化也具有意义。”
 
运动的起源
 
Wan说,他们重点观测的神经元回路(斑马鱼脊髓中的神经回路)是第一个在鱼类中发育的神经回路之一。此前已经由很多研究从不同角度对它进行了广泛的研究。但是,我们对神经回路中的每个神经单元如何成熟并开始协同工作还知之甚少。
 
运动回路既有与肌肉对话的运动神经元,也有从其他神经元传入信号的神经元,有时还起起搏器的作用。研究小组发现,随着发育中的鱼的回路形成,运动神经元是最早开始发送信息的细胞。Keller说:“过去,我们已经重建了单个器官甚至整个胚胎的发育,但是我们从未将其与相同细胞的全系统高速功能成像相结合。” 同步研究脑细胞的发育和功能,使研究人员可以在单细胞水平上绘制神经功能的实现过程。(生物谷Bioon.com)


原始出处:Yinan Wan, Ziqiang Wei, Loren L. Looger, Minoru Koyama, Shaul Druckmann, and Philipp J. Keller. "Single-cell reconstruction of emerging population activity in an entire developing circuit." Cell. Published online September 26, 2019. DOI: 10.1016/j.cell.2019.08.039

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