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科學(xué)家繪制出果蠅全腦神經(jīng)圖譜
點(diǎn)擊次數(shù)：715 發(fā)布時(shí)間：2017-12-28
比于人大腦中的幾十億個(gè)神經(jīng)元，黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的大腦含有大約25萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。然而，利用當(dāng)前可獲得的工具鑒定出產(chǎn)生簡(jiǎn)單和復(fù)雜的行為（如行走、跳步和求偶）的神經(jīng)元回路在果蠅中是比較困難的。在一項(xiàng)新的研究中，為了使得對(duì)行為的神經(jīng)元基礎(chǔ)的研究更容易控制，美國(guó)霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮莉亞研究園區(qū)神經(jīng)生物學(xué)家Kristin Branson和她的同事們構(gòu)建出一個(gè)大型的全腦神經(jīng)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)。這些全腦神經(jīng)圖譜揭示了激活成年果蠅中的一部分神經(jīng)元的行為影響。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年7月13日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Mapping the neural substrates of behavior”。
這項(xiàng)研究花了6年的時(shí)間才完成。由此產(chǎn)生的全腦圖譜目錄將神經(jīng)元回路與特定的行為關(guān)聯(lián)在一起。它的原始數(shù)據(jù)可自由獲得。
根據(jù)Branson的說(shuō)法，當(dāng)前的神經(jīng)科學(xué)技術(shù)，如電生理學(xué)成像或鈣離子成像，僅允許一次對(duì)少數(shù)神經(jīng)元進(jìn)行低通量記錄。
她說(shuō)，“在此之前，沒(méi)有人開(kāi)發(fā)出全腦方法。”此外，這些技術(shù)僅能夠在環(huán)境中不那么活躍移動(dòng)的果蠅中使用。
為了開(kāi)展這樣的全腦研究，Branson團(tuán)隊(duì)先是利用7000多種所謂的果蠅GAL4驅(qū)動(dòng)品系（GAL4 driver line）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，每種品系具有一到數(shù)百個(gè)表達(dá)GAL4轉(zhuǎn)錄因子和相對(duì)應(yīng)的GAL4結(jié)合上游激活序列（upstream activating sequence, UAS）的神經(jīng)元。這種GAL4-UAS系統(tǒng)促進(jìn)一種溫度敏感性陽(yáng)離子通道表達(dá)，這種陽(yáng)離子通道在大約25 °C的溫度下導(dǎo)致果蠅的神經(jīng)元放電。
通過(guò)提高每種果蠅品系的溫度，這些研究人員能夠選擇性地激活這些標(biāo)記的神經(jīng)元。為了可視化觀察這些操縱的神經(jīng)元，他們給它們標(biāo)記上綠色熒光蛋白（GFP）。Branson和她的同事們研究2204種這樣的果蠅品系，每種品系具有相對(duì)較少的僅在單個(gè)果蠅中受到激活的神經(jīng)元。
這些研究人員隨后系統(tǒng)性地將來(lái)自每種品系的20只果蠅放置在塑料培養(yǎng)皿中，提高溫度激活它們的神經(jīng)元，并且在15分鐘的視頻中捕捉它們的行為。他們開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)工具，從而能夠捕捉每種果蠅品系的運(yùn)動(dòng)和行為，并且將它們與野生果蠅進(jìn)行比較。這種工具在總共長(zhǎng)225天的視頻中為40萬(wàn)只果蠅的行為編制目錄。這種分析包括飛行、求偶和拍翼等203種果蠅行為。
Branson團(tuán)隊(duì)利用這些視頻詳細(xì)地繪制出成組激活的神經(jīng)元和它們相對(duì)應(yīng)的行為的大腦解剖圖。在一些情形下，他們利用split-GAL4果蠅品系（在這種品系的每只果蠅中，更小的神經(jīng)元亞群被激活）開(kāi)展相同的神經(jīng)元激活和視頻記錄實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了它們的神經(jīng)元-行為關(guān)聯(lián)性。
德國(guó)弗萊堡大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Andrew Straw（未參與這項(xiàng)研究）在發(fā)送給《科學(xué)家》雜志上的一封電子郵件中寫(xiě)道，“Branson和她的同事們著重關(guān)注解決關(guān)于行為神經(jīng)生物學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題。” 為了深入探討和更好地確定與這些行為相關(guān)聯(lián)的特定神經(jīng)元，還需要針對(duì)split-GAL4果蠅品系開(kāi)展更加廣泛的分析。
根據(jù)Branson的說(shuō)法，這種新的資源不偏不倚地研究了與特定的神經(jīng)元亞群相關(guān)聯(lián)的行為。她說(shuō)，“不論神經(jīng)科學(xué)家對(duì)哪種行為感興趣，他們能夠利用這些圖譜集中關(guān)注與這種行為相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)元。我們花了大量的時(shí)間讓生物學(xué)家們理解我們的數(shù)據(jù)