中美学者：解密胚胎发育的软件

来源：生物通   发布者：张荐辕   日期：2015-12-16  

最近，在12月3日的开放获取期刊《eLife》发表的一项研究中，来自美国国家生物医学成像和生物工程研究所（NIBIB）和信息技术中心（CIT）、纪念斯隆-凯特林研究所、耶鲁大学、康涅狄格大学健康中心和浙江大学的研究人员，开发出一个新的开放源软件，可以帮助跟踪线虫整个身体的胚胎发育和神经细胞活动。浙江大学光电科学与工程学院的刘华峰（Huafeng Liu）教授和博士生过敏（Min Guo）是本文共同作者。延伸阅读：Cell：解码线虫的全脑活动。 目前，生物学家对大脑已经有所了解，但是还有许多有待于揭示的信息。一个重要的挑战是，确定人脑中由数十亿个细胞组成的复杂神经结构。由于有许多生物学方面的挑战，研究人员首先在简单生物（如线虫）中，研究这个问题。 虽然科学家已经确定了一些重要的蛋白质，它们决定着神经元在大脑形成过程中如何定位，但是，所有这些蛋白质在活的生物体内是如何相互作用的，在很大程度上还是未知的。模式动物——尽管它们有别于人类，已经揭示了关于人类生理学的许多信息，因为它们更简单，更容易理解。在这种情况下，研究人员选择了秀丽隐杆线虫（C. elegans），因为它只有302个神经元，其中有222个是在线虫还是一个胚胎时形成的。虽然这些神经元中有一些定位到线虫神经环（大脑），它们也沿腹神经索传播，这与人类的脊髓大致相同。线虫甚至有它自己的蛋白质版本，在更复杂的生物体（如果蝇、小鼠，或人类）中，这些相同的蛋白质被用来指导大脑的形成。 NIBIB研究小组负责人Hari Shroff博士指出：“理解神经元为什么和如何形成，以及它们到达最终目的地的途径，有望可以提供关于‘在神经元的发育过程中，蛋白质和其他分子因素如何相互作用’的有价值的信息。即使在线虫的情况下，我们仍然不了解神经发育，但我们将它作为一个简单的模型，来探讨这些因素如何互相协作，推动线虫大脑和神经元结构的发育。” 然而，在胚胎发育过程中经过线虫体内的神经元并不像看上去那么简单。第一个挑战是，研发新的显微镜，可以记录这些线虫的胚胎发育，而不会通过过多的曝光而破坏它们，而仍然得到清楚看到个别细胞所需的分辨率。Shroff和他在NIBIB的团队，与耶鲁大学的Daniel Colon-Ramos、纪念斯隆-凯特琳研究所的Zhirong Bao合作，通过开发新的显微镜，提高速度和分辨率——可以影像线虫的胚胎发育，从而解决了这个问题。 第二个问题是，在发育过程中，线虫开始“抽动”，在卵内四处运动。折叠和扭曲使我们很难跟踪细胞并解析运动。例如，如果一个神经元在几分钟的时间内移动，是因为胚胎扭曲，还是因为神经元实际上改变了在胚胎内的位置？理解使神经元到达最终目的机制，是了解大脑如何形成的一个重要因素——如果不知道神经元在哪里和如何移动，是很难确定的。最后，在三维空间中确定一个神经元的位置，同时着眼于一个二维图像——特别是一个折叠起来的线虫，可能是具有挑战性的。 带领这项研究的博士后Ryan Christensen指出：“想象一下，你想在一个拥挤的礼堂里跟踪每个人，你每次看到只能一个人，观众席本身是看不见的。这有点像尝试跟踪线虫中的神经元彼此是如何相互联系的。你既需要有能力同时看到每一个人，也需要让观众席是可见的，这样你就可以把每个人都放在适当的位置，并找出每个人的动作。我们的软件可以使观众席可见，并允许我们将每个人（神经元）放在适当的情况中。” 线虫的胚胎通常是透明的，但研究人员用荧光蛋白作为标记，使胚胎中的几个细胞发出亮光。当把这些细胞的显微图像输入计算机程序时，计算机可确定每个细胞，并使用这些信息来创建一个线虫模型，然后计算产生一个直观的图像。该程序还允许用户检查计算机模型的准确性，并在发现任何错误的时候对其进行校正。 此外，用户还可以标记线虫胚胎中他们希望程序追踪的细胞或结构，从而当一个细胞在胚胎发育过程中移动和生长的时候，让用户跟随它的位置。此功能可以帮助科学家们理解某些细胞如何发展成神经元，而不是其他类型的细胞，以及是什么因素影响了大脑和神经结构的发育。 Shroff和他的同事们说，这种技术对于他们创建四维的神经发育“线虫图谱”至关重要，（参见http://www.wormguides.org），该图谱试图编目线虫神经系统的形成。该目录将首次对整个神经系统如何发育有一个全面的了解，Shroff博士和他的同事们相信，这将有助于理解所有神经系统（包括我们的）组装的基本机制。他们还认为，开发的一些概念，如将多个胚胎的神经数据相结合的方法，可以应用到线虫之外的模式生物。

相关新闻