【論文故事】病毒和斑馬魚幫助科學家測繪大腦地圖（圖）

昀皓 發表於  2014-08-30 10:25

　　大腦是生命科學中最困難研究的研究對象之一，其工作機制和信號通路都是科學界非常關注的熱點。大腦進行正常的工作時需要生命體處在正常情況下，並且腦細胞非常脆弱，該領域的研究工作急需新研究手段的建立。喬治亞攝政大學喬治醫學院神經科學與再生醫學部的助理教授阿爾伯特·潘（Albert Pan）及其研究團隊，發現了一種新的研究方法：使用水泡性口炎病毒和斑馬魚作為研究工具，能夠幫助研究者繪製活體大腦的通路圖。為了進一步了解該研究，果殼網採訪了主要研究者潘於勤博士。

　　研究者潘評價這個研究技術說：「你能夠通過一個一個小點，最終畫出大腦工作時細胞是如何相互連結的圖譜。這有助於我們觀察大腦內通路是如何分佈和發揮功能的」。

　　我們知道在大腦中的某些地方存在過多或過少的連結通路，都會導致如神經發育遲滯、自閉症或者精神分裂症等疾病。但是這些疾病都是高級精神及認知功能的異常，魚類連皮層都不具備，對魚腦的測繪如何能有助於認識這些疾病的機理嗎？[align="left"]作者告訴果殼網：「人與魚的疾病基因型會有很多的不同之處，不過我相信同樣的疾病基因會在大腦中扮演同樣的角色。百分之七十的人類基因在斑馬魚中都有同源基因。我們的目標是利用斑馬魚來了解這些疾病基因是如何影響大腦通路的。」

　　研究作者最近獲得了由美國國家眼科研究所發起的，一個基於病毒工具幫助研究正常腦細胞連結和發現疾病源頭的項目190萬美金的研究經費。他說：「我們希望在胚胎髮育時，大腦細胞分裂、遷移和連結都一切正常。」

　　本次研究團隊的模式生物是斑馬魚，所進行研究的系統是視覺功能系統。作者說：「照大家看來，選擇小小的斑馬魚作為研究對象有些奇怪，但身體透明的斑馬魚其實是一個非常棒的生物模型。人的大腦有700億個細胞，斑馬魚只有10萬個，但大腦基本結構是一樣的。生長周期短，並且通體透明也是斑馬魚另外兩個重要的優勢。

　　

　　研究者Albert Pan（阿爾伯特·潘）正在觀察斑馬魚 圖片來源：eurekalert.org[align="left"]斑馬魚生命從一個透明的卵中開始，其胚胎髮育只需要兩天，而生長為成熟個體也只要3個月的時間。在生長到第10天時，斑馬魚就已經相當於人類的兒童階段，雖然它們的大腦還在發育，但已經能夠處理絕大多數生活中的情況，並具有了許多重要的行為習慣，比如學習事物。

　　「在一條很小的魚中，你能夠觀察到脊椎動物大腦一些非常有趣的行為，」潘說到。他是第一位嘗試基於病毒工具，在斑馬魚中繪製大腦通路的研究者。

　　為了更好的觀察腦細胞工作時的狀態，潘使用的是患有超級白化病、身體缺少色素的突變魚種。

　　實驗用的斑馬魚進行了是轉基因處理，因此發電的腦細胞會自然發光。但要在一台光學顯微鏡下觀察這發生在突出部位、納米級大小的現象，就是另外一回事了。「如果一個細胞放電，我們可以看見發光現象，並且觀察其發光的特點。但你不能夠明確細胞是如何與其它細胞聯繫的，這就很難解答大腦是如何把信息從一個部位傳遞到另一個部位的，」潘說。

　　現在有一種病毒可以幫我們做這些「臟累活」：水皰性口炎病毒。它和狂犬病病毒一樣，可以在神經突觸間通行，但是它不容易感染人類。研究者使用標記了熒光的這種病毒，來填補細胞連結之間的空缺。「這個研究方法在技術上最為重大的突破是：你可以觀察到這些神經突觸的連結處，並且知道一個細胞和另外一個細胞是如何連結的，」作者補充說。

　　

　　這是研究者做跟蹤實驗時的圖片。圖片中魚腦使用pan-神經標記（品紅色），病毒因為表達熒游標記（綠色）。視神經及其下游的神經被綠色熒光的病毒所標記了 圖片來源：研究者潘提供[align="left"]但如果在研究中使用帶有熒游標記的病毒來標識突觸的連結。如何能夠證實病毒的感染不會影響突觸連結的方式和時間呢？[align="left"]作者也認為這是一個非常值得探討的問題，他這樣告訴果殼網：「病毒的確可能影響突觸連結的方式和時間。當我們完成初步的測繪之後，我們會用其他的實驗方法（例如神經生理或是電子顯微鏡）來測試測繪的準確性。」

　　

已知大腦最基本的組織是神經迴路，這些組織在一起的腦細胞為了某些共同的目的而工作，如完成視覺、嗅覺或者肢體運動等。「如果你把大腦比作一台計算機，那麼不同的的軟體能夠做不同的工作，」潘說道。大腦中不同的迴路也會整合起來，因此，大腦工作的時候就像一個富有凝聚力的集體。[align="left"]但對於研究工作的進行來說，神經迴路是動態的，不斷地處於形成和撤銷的過程中，而且魚每時每刻也都在處理多種信息（視覺、聽覺、嗅覺……）、執行多種功能（呼吸、運動……），如何能將神經迴路與腦執行的具體功能對應起來呢？[align="left"]潘告訴果殼網他認為：「由於斑馬魚是透明的，我們可以結合測繪與神經活性圖來觀察神經元的活動與大腦功能的關係。」[align="left"]我們知道，大腦測繪這個研究領域的最終目標可能是：智能（或者至少是邏輯層面的腦功能），其物理層面的基本結構以怎樣的方式實現的？現在這個研究能夠讓人看清物理層面的運作細節，但是物理層面與邏輯層面的聯繫，怎麼來確定呢？[align="left"]作者回復果殼網說：這的確是一個現今神經科學上的挑戰，需要由許多不同領域的科學家來統和大腦叢細胞的行為、運轉的機制。[align="left"]在研究進行中，斑馬魚身體透明的這一特點，這使得研究人員可以直觀的看見大腦迴路一開始產生時的情況：神經前體細胞會變成神經原細胞，最初是在神經管的圓洞處，然後發展成為大腦和脊髓。當神經前體細胞分裂后，根據其特性會移動到大腦中特有的位置。「細胞可以感覺到其內蛋白質的不同，也知道它們應該去哪裡，」潘說道。[align="left"]神經元會根據通路聚集起來，形成能夠傳遞信號的突觸。這些突觸有時存在時間很短，只夠保證你在食品雜貨店內記住蘋果的價格，但是走出店門就忘；也有些存在的時間很長，就如你一直記得母親的聲音和面龐。

　　研究作者還指出，通過研究視覺神經迴路也能夠更好的理解該神經迴路相關行為，比如雙眼是如何自然地跟隨一輛移動汽車的。同時這也為研究其它通路提供了一個很好的模型。

　　「我們對於大腦的很多認識都來自於對視覺的研究，」潘說。該研究團隊還將清除某些斑馬魚已知能夠再生的腦細胞，看看它們是否能夠整合進入已有的神經迴路中。（編輯：粉條er）