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发育中胚胎的神经回路是如何形成的

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09/26/19 |发育中胚胎的神经回路是如何形成的

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一种新的成像方法跟踪发育中的胚胎中的年轻神经元,它们从一个杂乱的混乱细胞发展到一个协调的控制中心。这种方法让科学家能够在整个电路中同时跟踪细胞的发育和新兴功能。

神经元,取代你的位置。

最终成为神经元的细胞必须首先穿过胚胎到达它们在神经系统中的最终目的地。在那里,它们从未定义的细胞发展成具有特定作用的神经元,在回路中共同工作来指导动物的行为。

最终成为神经元的细胞在胚胎发育过程中迁移

但是这次旅行到底是如何展开的仍然有些神秘。“有很多事情我们猜测正在发生,但我们实际上并没有看到,” 他说伊南湾霍华德 · 休斯医学研究所 Janelia Research Campus 的研究员。现在,万和她的同事已经开发了直接观察活体动物行动的工具。

就像一个家庭视频系列记录了一个孩子从婴儿期到幼儿园的第一天, 该团队的新视频跟踪斑马鱼神经元从它们的起源到它们连接到协调体内运动的回路。研究人员于 2019年9月26日在《华尔街日报》上报道了他们的工作电池。这是科学家们第一次从头到尾同时跟踪所有神经元形成整个回路时的发展起源、运动和功能活动。

现就职于斯坦福大学的万说,将年轻神经元的物理位置和发育历史与其在神经系统中新兴的作用联系起来,为大脑组织自己的方式提供了一扇新的窗户。"我认为这些工具是理解神经发育的平台."

新视图

Wan,Janelia 小组组长菲利普 · 凯勒他们团队的其他成员用了大约七年的时间来构建收集和分析神经元发育数据所需的工具。

凯勒说: “你需要能够在单细胞水平上跟踪整个胚胎发育的技术。”。不难找到一台可以大面积成像、捕捉微小细节或快速拍照的显微镜。但通常这些额外津贴是伴随着权衡而来的。对于这个实验,凯勒的团队需要一个可以同时做所有这些事情的显微镜,并且在一个脆弱的生物身上启动。“你不想做出任何妥协 -- 它需要完美,” 他说。

他们的起点是凯勒和珍妮拉的其他人开发的薄片显微镜。去年,该团队使用了类似的技术观察细胞在发育中的小鼠胚胎中分裂、移动并开始形成器官。这一次,凯勒的团队专注于神经系统,不仅追踪细胞在哪里,还追踪每个细胞在做什么。

胚胎旋转,迁移细胞已经就位

首先,科学家设计了斑马鱼,使其包含一种小分子,使鱼中的每个细胞都发光。在胚胎的神经元中,他们还追踪了一种报告神经元活动的分子, 加上少数关键蛋白质,这些蛋白质只有在细胞具有特定功能时才会出现 -- 这是该细胞在体内实际作用的线索。总之,这些信息让团队区分不同种类的神经元,并观察这些细胞扮演的角色。

凯勒的小组随后将斑马鱼胚胎放在范围内 14 小时, 捕捉所有细胞的运动,并以每秒四张三维图像的速度跟踪细胞的活动 -- 总共有几百万张高分辨率快照。广域网和实验室里的其他人开发的算法帮助他们重建了单个神经元的路径。和 Janelia 合作者 Ziqiang Wei 和Shaul Druckmann开发了分析神经元活动模式的计算技术。

随着时间的推移,显微镜图像显示细胞在移动并找到它们的位置,然后扮演特定的角色并连接在一起进入电路。它还在单细胞水平上展示了高度协调的网络活动是如何首先出现并产生斑马鱼最早的行为的。

“现在很多计算神经科学都围绕着如何理解神经元群的活动模式,” 德鲁克曼说,他现在在斯坦福大学工作。“像这样的发展研究增加了一个全新的维度: 不仅要理解当前的人口动态,还要理解这些模式是如何随着时间发展和变化的。”

运动的起源

万说,该团队所在的电路 -- 斑马鱼脊髓中的运动电路 -- 是第一个在鱼类中开发的电路。它已经从许多角度被广泛研究。但是当涉及到理解电路中的细胞如何成熟并开始一起工作时,“知识差距很大,” 她说。该团队的工作开始解释协调运动是如何从混乱中出现的。

24 小时脊髓的神经活动模式

运动电路既有与肌肉交流的运动神经元,也有中间神经元,它们从其他神经元那里引入信号,有时充当起搏器。研究小组发现,随着电路在发育中的鱼体内成形,运动神经元是第一个开始发送信息的细胞。凯勒说,这是一个惊喜。科学家认为运动神经元可能会在这个过程中跟随其他细胞的脚步。

凯勒说: “我们过去重建了单个器官甚至整个胚胎的发育,但我们以前从未将其与全系统相结合, 同一细胞的高速功能成像。 “一起观察脑细胞的发育和功能可以让研究人员在单细胞水平上拼凑出神经功能是如何出现的。

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引用

Yinan Wan,Ziqiang Wei,Loren L.Looger,Minoru Koyama,Shaul Druckmann 和 Philipp J.Keller。"在整个发展循环中,新兴人口活动的单细胞重建."电池。2019年9月26日在线发布。Doi: 10.1016/j.cell.2019.08.039