解析果蝇幼虫“主演”的黑白短片
时间:2017-12-07

  果蝇幼虫分析“主演”黑白视频 - 新闻 - 科学网

  Marta Zlatic拥有最繁琐的视频档案。在弗吉尼亚州弗吉尼亚州弗吉尼亚州霍华德休斯医学研究所珍妮研究园的实验室里,这位神经科学家储存了超过20000小时的果蝇幼虫主演的黑白短片。这些电影的主角们每天都在做某些事情,比如爬行和爬行,但是他们可以帮助回答现代神经科学中最重要的问题之一脑电路是如何产生行为的。

  这是整个神经科学界的一个重要目标:说明神经元如何连接到网络,信号如何在网络中移动,以及它们如何协同工作,引导动物四处移动,作出决定,表达情绪,并为人类创造意识。

  专注于果蝇

  最简单的大脑科学家的整个布线图来自线虫中只有300个神经元。它的连接器(每个分开的神经连接的地图)在20世纪80年代被绘制。但是,仔细观察这些活动中的连接器是一项艰巨的任务。一些神经科学家怀疑,蠕虫的大脑和大脑一样工作。

  这就是为什么许多科学家喜欢Zlatic依靠另一种无脊椎动物苍蝇。果蝇幼虫足够复杂,表现出一些有趣的行为,但它们的神经元数量不足以使得大脑回路的设计成为可能。此外,Zlatic及其同事掌握了一系列相关的技术,如光遗传学。利用这项技术,当果蝇活跃时,发光蛋白被用来控制或监测神经元活动。

  Zlatic和她的丈夫Albert Cardona与Jeannea研究园合作,正在开发收集果蝇幼虫脑的高分辨率横断面图像的方法,并自动追踪部分之间所有连接的痛苦过程,通过将幼虫的行为和活动模式与地图相匹配,团队能够找出哪些电路负责相应的行为。

  例如,令人费解的部分是大脑如何在两种竞争行为之间进行选择。去年,Cardona,Zlatic和他们的团队跟踪了果蝇幼虫的大脑回路。由于幼虫面临着一个令人讨厌的空气运动,研究人员让他们选择在蜷缩头和弯曲头之间。第二次遇到气流,同样的幼虫可能会先选择弯头,然后蜷起头。研究小组确定了哪些神经元正在响应新出现的气流,并反过来使用光遗传学来激活它们。他们观察到,当头部弯曲时,蜷缩的大脑电路被抑制,大脑的电路增加。所有这一切发生在毫秒。随后,研究人员建立了一个计算机模型来预测幼虫何时以特定的方式受到刺激。

  画一个接线图

  如果对神经回路的研究能带来启示,就是说网络不会那么小,不会产生意外,试图了解它们的尝试也一再受挫。马萨诸塞州布兰代斯大学的神经科学家Eve Marder已经研究了30年来在蟹的胃肠系统中30个神经元的简单回路,其作用非常简单,接线图早在几十年前就已经绘制出来了,但是这个简单的循环仍然提供一些难题,例如,Marder发现,虽然个别动物“循环可能看起来相似并产生相同的输出,但它们在信号强度和突触传导方面差异很大。现在她专注于环路如何保持自己的地位,因为像离子通道和受体这样的东西正在被取代。替换所有的组件,但仍然保持循环,哪些规则存在? Marder表示,所有这些挑战同样适用于大型网络。我们还有很长的路要走,找出我们可以用动物的行为和执行复杂任务的信息做些什么。

  科学家正在准备迎接这个挑战。这种努力需要几种收集和分析数据的新方法,而且在过去的五年中,许多方法已经取得了进展。 Zlatic团队与Nerya Research Park的其他科学家合作调整光遗传学工具。为了分析果蝇幼虫视频,Zlatic包括统计学家和计算机专家在机器学习中设计分类幼虫动作的方法。

  随后,在卡多纳的实验室里,科学家编辑了数千张使用电子显微镜拍摄的大脑切片图像,并尽力追踪神经元之间的连接以绘制幼虫的大脑。这幅地图是其他工作的起点,包括脑循环的绘图,操纵大脑回路和观察幼虫行为。不过,卡多纳表示,目前拉丝过程是该领域的主要障碍。重新建立果蝇气味检测循环的160个神经元使Cardona团队花费了1100多个小时。根据以前果蝇研究的推断估计,一年内需要数百人为成年果蝇绘制全脑图。虽然自动执行此过程可能会有所帮助,但该算法可能会添加虚假连接或完全错过某些连接。

  科学家在更大的电路上工作,通常首先组合一系列细胞类型来解决这个问题。这种方法被用于西雅图Allan脑研究所的小鼠大脑连接性分析项目。在2014年的一项研究中,研究小组仅在小鼠视觉皮层中鉴定了49个细胞。这些细胞大小和形状,排出速度和基因表达不同。研究人员预测,整个大脑是多个数量级的细胞。我猜可能有多达10,000种神经元。上述项目研究员曾红奎说。

  提供有关医疗问题的信息

  许多神经科学家的愿望清单中的另一个重要任务是同时记录多个神经元的活动。通过这种方式,研究人员可以刺激神经元,看看其他神经元兴奋,然后建立控制链的动态图像,有助于各种行为。这是映射更复杂的大脑地图的下一个重大挑战。曾庆红说。

  这是假设的,即使在Marder喜欢的30个细胞的循环中也是如此。 Marder可以同时将电极插入几个电池。其他在小电路上工作的科学家使用各种技术来找出哪些电池正在放电,何时放电。例如,研究人员可以测量神经元放电后释放的钙的量,或者观察响应于细胞膜周围电压变化的荧光响应。然而,这就像使用汽车经过时产生的风力来测量风速,指示器的速度本身跟不上放电速度。现在,你可以记录所有神经元的活动,但有点慢,每两秒钟只能达到一次。兹拉蒂奇说,但是这是在你错过的时候发生的。

  更准确地掌握大脑回路的动态变化,或为解决医疗问题提供信息。 Marder花了25年的时间教授学生关于脑网络的知识,包括帕金森病专家绘制的大脑网络,她承认如果治疗正常,大脑回路的细节并不重要,但是可能有助于弄清为什么药物临床证据表明不同的帕金森病患者在特定的脑区和回路上有不同的潜在异常。 (宗华编)

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