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研究揭示了秀丽隐杆线虫大脑中的微观谜团

这是制作大局的小件,在这种情况下,肉眼无法看到这些碎片。冲绳科学技术研究生院(OIST)的新研究使用显微镜技术将毫米长的秀丽隐杆线虫的大脑拼凑在一起,揭示他们的神经元会激发动作电位 - 由于神经元传递感觉信息而产生的电压尖峰细胞膜。他们的结果可以更好地理解神经信号如何在生物体内传播,并作为其他动物(包括人类)神经元信息处理的未来模型。

研究揭示了秀丽隐杆线虫大脑中的微观谜团

来自OIST的信息处理生物学部(IPBU)和神经生物学研究部(NRU)的科学家们合作完成了该项目。IPBU拥有遗传修饰秀丽隐杆线虫的技术,而NRU拥有记录蠕虫微小神经元电信号的专有技术。虽然人们普遍认为缺乏射击动作电位的能力 - 决策所需的全部或全部脉冲 - IPBU首席研究员Ichiro Maruyama教授的结果表明蠕虫的神经元确实发挥了动作电位。为了证实他的怀疑,他想要使用电生理学进一步的数据,他的实验室并没有积极地做,因此他与NRU的负责人Jeff Wickens教授和研究人员Tomomi和Mayumi Shindou分享了他的想法。

七年后,合作得到了回报; 完成的研究发表于2019年3月5日的科学报告。在该项目之前,人们普遍认为秀丽隐杆线虫神经元仅以分级方式对模拟信号作出反应。然而,这项工作表明,如果神经元越过阈值(一种更数字化的信号类型),它们就会激发动作电位。

“这篇论文显示的主要内容是我们研究的神经元可以激发动作电位,”威肯斯说。“现在C.elegans神经元具有主动和被动传递,因此所有这些机制对于感觉处理都是必不可少的,即使在最小的神经元中也是如此。”

为了观察秀丽隐杆线虫的感官处理,Maruyama和他的团队将盐施加到蠕虫鼻尖上。它们增加和减少盐浓度,寻找蠕虫的不同反应并监测其神经元的电活性。他们发现盐的增加首先影响了大脑左侧的神经元,然后触发了导致蠕虫向前移动的信号。减少导致右侧的神经元发送蠕虫向后移动的信号。

“这对神经元具有相同的结构和名称,但完全相反的功能,”Maruyama说。“将这两个神经元一起使用对于蠕虫到达盐浓度较高的地方非常有效。”

制定微观方法

对秀丽隐杆线虫进行研究提出了一个挑战 - 要了解秀丽隐杆线虫的大脑有多小,他们有302个神经元,一只蚂蚁有250,000只,一只老鼠有7500万只。Wickens将他的前博士后和该论文的第一作者Tomomi Shindou博士负责开发该项目的方法论。这项工作需要时间 - 四年的试验和错误来创建正确的技术,另外三年用于收集数据。

NRU创造了一个小于千分尺的尖锐玻璃针。一旦它暴露在盐中以观察神经元,他们就用针从秀丽隐杆线虫中提取脑细胞。这种方法就像用镊子从手指中提取碎片一样。

“世界上只有少数几个实验室可以做到这一点,”丸山说。“一旦细胞被提取出来,科学家就会使用电生理学 - 测量细胞中的电压变化来跟踪观察主动和被动激活的神经元。科学家们还使用钙成像来产生更多数据,并观察到暴露在盐中的自由移动的蠕虫。

“你可以在一个特定的神经元中表达一种钙传感蛋白 - 如果神经元被激活它会点亮,”丸山说。“一旦神经元被激活,它们就会产生绿色荧光,现在你用荧光显微镜检测神经元的活动。这两个测试的数据非常匹配。”

“完美匹配的数据”是每个研究人员都希望听到的一句话。结果表明,公认的教条 - 这些蠕虫只发送被动信号 - 是错误的。这一显着的发现也为未来改进的神经映射打开了一扇大门。

“每个秀丽隐杆线虫都以相同的方式连接相同的一组神经元,不像小鼠大脑是一个连接的丛林,”威肯斯说。“如果我们能够更好地了解这个简单的神经系统,我们有一种电路图,我们可以深入了解更复杂的大脑如何运作。”

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