Cell：新研究揭示胚胎時期神經回路是如何發育的

　　神經元細胞的發育成熟最初需要從胚胎開始，直至到達神經系統。然而，我們目前并不清楚其中的詳細過程。霍華德·休斯醫學研究所的科學家Yinan Wan說：“我們目前猜測的很多過程是無法被觀測的”。如今，Wan和她的同事們已經開發出了可以直接觀察動物活動的工具。

（圖片來源：Wan et al, Cell. 2019）

　　根據該團隊的最新成果，利用新的成像技術，他們能夠實時追蹤斑馬魚神經元的發育過程。相關結果發表在最近的《Cel》l雜志上。這是科學家第一次從頭到尾同時跟蹤所有神經元的起源，運動和功能活動。

　　新觀點

　　Wan與同事Philipp Keller及其團隊的其余成員花了大約七年的時間來構建，收集和分析神經元發育過程所需的工具。Keller說：“我們需要的技術可以在單細胞水平上追蹤整個胚胎的發育。”找到可以對大面積成像，捕獲微小細節或真正快速拍照的顯微鏡并非難事。但是通常這些功能需要權衡。對于該實驗，Keller的團隊需要一臺可以在微小的生物體上同時完成所有這些工作的顯微鏡。

　　他們基于此前Keller開發的光柵顯微鏡。去年，該團隊使用類似的技術來觀察小鼠胚胎發育過程中細胞分裂，移動并且形成器官的過程。這次，keller團隊專注于神經系統，他們不僅追蹤細胞的未知，還追蹤每個細胞在做什么。

　　首先，科學家培育了帶熒光標記的斑馬魚。在胚胎的神經元中，他們成功標記了一個報告神經元活動的分子，以及少數只有在細胞具有特定功能時才存在的關鍵蛋白質。這些信息使研究小組能夠區分不同種類的神經元，并觀察這些細胞是否發揮了作用。

　　然后，Keller的小組對斑馬魚胚胎連續觀察14個小時，以每秒四張3-D圖像的速度捕獲所有細胞的運動并跟蹤細胞的活動，總共得到了幾百萬個高分辨率快照。 Wan和其他人在實驗室中開發的算法幫助他們重建了單個神經元的路徑。合作者Ziziang Wei和Shaul Druckmann開發了用于分析神經元活動模式的計算技術。

　　隨著時間的流逝，顯微鏡圖像顯示出細胞的移動并找到它們對應位置的過程。結果表明，在單細胞水平上，高度協調的網絡活動是如何首先出現，并引起斑馬魚個體早期行為的發生。

　　斯坦福大學（Stanford University）的德魯克曼（Druckmann）說：“現在許多計算神經科學都圍繞著如何理解神經元群體的活動模式而展開。像這樣的發展研究增加了一個全新的維度：不僅對當前的群體活動特征有意義，而且對這些模式隨著時間的發展和變化也具有意義。”

　　運動的起源

　　Wan說，他們重點觀測的神經元回路（斑馬魚脊髓中的神經回路）是第一個在魚類中發育的神經回路之一。此前已經由很多研究從不同角度對它進行了廣泛的研究。但是，我們對神經回路中的每個神經單元如何成熟并開始協同工作還知之甚少。

　　運動回路既有與肌肉對話的運動神經元，也有從其他神經元傳入信號的神經元，有時還起起搏器的作用。研究小組發現，隨著發育中的魚的回路形成，運動神經元是最早開始發送信息的細胞。Keller說：“過去，我們已經重建了單個器官甚至整個胚胎的發育，但是我們從未將其與相同細胞的全系統高速功能成像相結合。” 同步研究腦細胞的發育和功能，使研究人員可以在單細胞水平上繪制神經功能的實現過程。