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斑马鱼研究揭示了完整脊椎动物大脑的第一个精细结构

2019-06-23 14:36:51 • 来源：

每一个想法，每一种感觉，每一种感受 - 以及每一种行为疾病 - 最终都取决于我们的大脑是如何运作的。尽管在大脑成像和测量其活动方面有数十年的惊人进步，但我们仍然不明白即使是简单的脊椎动物大脑也能如何工作。

斑马鱼研究揭示了完整脊椎动物大脑的第一个精细结构

进入斑马鱼幼虫。小而透明，但能够自由游动甚至捕猎小猎物 - 研究人员长期以来一直在研究这些幼鱼，以了解它们的小脑是如何产生行为的。大卫·希尔德布兰德(David Hildebrand)在弗洛里安·恩格特(Florian Engert)和杰夫·利希曼(Jeff Lichtman)在哈佛大学的实验室工作，他们将这项工作向前推进了一步，创造了斑马鱼大脑切成

数万片的电子显微镜图像。

在共同作者PSC的Art Wetzel的帮助下，他们领导了一项国际合作，利用这些图像重建了几乎跨越整个幼虫斑马鱼大脑的特定神经细胞。希望这种彻底的“纳米级”成像能够提取大脑完整的“接线图”。虽然这项工作才刚刚开始，但它最终可能会为过去的斑马鱼行为研究提供新的视角 - 并为更好地理解更复杂的大脑指明道路，例如我们的。

“我们的目标是开发技术，让研究人员在受精后约五天检查幼虫斑马鱼大脑中任何神经元的形态和电路连通性。这是有趣的斑马鱼行为，如狩猎出现，给我们有机会询问神经元的电路如何解析来自环境的输入信息以产生有用的行为输出，“David Hildebrand说。

为了生成包含斑马鱼大脑中所有神经细胞的图像数据集以及它们的许多错综复杂的联系，那么研究生希尔德布兰德不得不比以前的研究深入挖掘。利用Lichtman实验室开发的技术，他将斑马鱼幼虫的前四分之一切割 - 总长度为1毫米，或大约4百分之一英寸 - 切成18,000多片。然后他用电子显微镜拍摄了这些切片的图像。然而，切片不可避免地是不完美的，其中一些切片厚度不同并且具有撕裂和其他缺陷。为了重新组合扭曲的图像以三维重建大脑，Hildebrand需要先进的自动图像配准技术。

为了“扭曲”这些图像，Wetzel使用SWiFT(信号白化图像傅里叶变换)，他开发的软件是PSC参与国家生物系统多尺度建模中心的一部分。SWiFT使科学家能够处理由组织变化，切片压缩和电子显微镜内部工作引起的图像失真引起的扭曲和缺陷。由于Wetzel的工作，不到1%的希尔德布兰德切片不能用于分析。

大约12,500个切片包含大脑的一部分。科学家们更详细地研究了这些，在此过程中收集了大量4,900千兆字节的数据，足以填满5到10台高端笔记本电脑。它们完全或部分地追踪了大约2,500个神经细胞及其轴突的路径 - 细胞用来连接其他神经细胞的长尾巴。研究人员能够在整个轴突的大脑中跟踪805个这些神经细胞。一个早期发现是鱼脑一侧(左侧或右侧)的某些神经纤维在另一侧有双纤维。在每一侧的这些神经内的轴突的组织遵循几乎镜像路径。虽然科学家们并不确切知道这意味着什么，但他们怀疑它可能与预先编程的大脑发育过程有关。这也可能是鱼类遵循的一些先天行为的重要线索。目前尚不清楚是否人类大脑中的神经细胞在整个生命过程中发展缓慢且变化很大，具有相同程度的左/右对称性。合作者于2017年5月10日在着名的自然杂志上发表了他们的初步研究结果。

“使斑马鱼成为如此壮观的系统的原因在于，用于获取接线图的其他生物体中的替代品仅限于更大的大脑的微小部分，因此不提供研究有机体的全部范围的机会。以前没有人敢想到在整个大脑里做这种工作，“Florian Engert说。

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