通過新方法，神經(jīng)生物學家可以使用光束激活斑馬魚幼體的個別神經(jīng)元，然后記錄神經(jīng)元活動如何通過大腦傳播并產(chǎn)生行為。
我們大腦中的神經(jīng)元活動如何引發(fā)行為上改變？從細胞層面到行為學層面存在巨大的鴻溝。這長久以來都是神經(jīng)科學的難題。近日，來自馬克斯普朗克神經(jīng)生物學研究所的科學家們開發(fā)了一種方法，可以讓他們識別出那些參與特定運動指令的神經(jīng)細胞?？茖W家首次通過人為地激活少數(shù)神經(jīng)元來誘發(fā)魚的行為。了解神經(jīng)環(huán)路的核心成分是破譯大腦基本功能下復雜代碼的關鍵步驟。
近年來，科學家們在理解大腦的結(jié)構(gòu)和功能方面取得了很大進展。顯微鏡和功能成像的進步使研究人員能夠在動物感知感覺刺激或產(chǎn)生特定行為時監(jiān)測神經(jīng)元的活動。然而，這些研究往往不能分辨所觀察到的活動變化的因果關系。使用光遺傳學的方法，科學家可以確認哪些神經(jīng)元在最終導致行為的事件鏈中其決定性作用，哪些神經(jīng)元可以參與其他任務或僅僅是“旁觀者”。這一研究領域的一個特殊挑戰(zhàn)是神經(jīng)元網(wǎng)絡“相互關聯(lián)”的驚人程度，激活甚至單個神經(jīng)元就可能將信號擴散到大部分神經(jīng)系統(tǒng)。 Herwig Baier及其研究小組的新研究已經(jīng)清除了兩個障礙：現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)能夠確定神經(jīng)環(huán)路中細胞組分的因果關系并同時觀察活動如何通過整個大腦網(wǎng)絡傳播并喚起行為。
Martinsried科學家開發(fā)了一個工作流程，能夠3-D光刺激多個目標神經(jīng)元，同時成像斑馬魚幼體腦中的網(wǎng)絡活動。主要研究者之一，Marco dal Maschio解釋說：“斑馬魚小而半透明的大腦是我們新方法的理想選擇?！?/p>
幾年前，Baier實驗室的成員確定了斑馬魚腦中的一個小的神經(jīng)元群體，其激活觸發(fā)了尾巴的彎曲。另一位主要作者Joseph Donovan解釋說：“以前的工作無法高分辨率地記錄誘導的活動模式。因此，我們設計了一種新的方法。”
首先，科學家們利用基因工程技術讓斑馬魚的神經(jīng)細胞中表達光控的離子通道。將光線通過皮膚和頭骨照射到魚的頭部中能夠遠程控制它們的大腦活動。然后Donovan和dal Maschio將這樣一個斑馬魚幼體放在顯微鏡上，并將計算機生成的全息圖投射到魚腦中。將魚無法可見的紅外線區(qū)域光束（所謂的雙光子模式）瞄準一小群單獨的神經(jīng)元。當不同的神經(jīng)元組合被激活時利用快速相機記錄動物的尾巴運動。不斷重復這一實驗過程，最終研究人員找到了三個神經(jīng)元，激活它們就足以觸發(fā)尾部的彎曲。然后，研究小組刺激這三個細胞，同時使用快速3-D成像方法記錄擴散到大腦的活動。
從該數(shù)據(jù)集中，計算機程序識別與誘發(fā)行為的不同組分相關的活動模式，并給每個單獨的神經(jīng)元評估“貢獻得分”。最后，通過在顯微鏡下觀察其形狀，重建具有重要功能的單個神經(jīng)元。由于魚和魚之間的大腦連接非常類似，所以可以通過許多這種實驗的綜合數(shù)據(jù)繪制大腦連接圖。
“這是科學家首次追蹤大腦的行為指令，它從幾個初始細胞傳播到大腦并最終誘發(fā)實際的身體動作。”Marco dal Maschio對這一研究十分高興。他有充分的理由保持樂觀：新的實驗工作程序讓他和他的同事以前所未有的精細探索大腦的神經(jīng)環(huán)路。由于大腦的功能和結(jié)構(gòu)在魚類和哺乳動物之間進化保守，因此這些研究所提供的新見解很可能揭示大腦和行為的一般原理。
參考資料：
Linking Neurons to Network Function and Behavior by Two-Photon Holographic Optogenetics and Volumetric Imaging
Optical method links individual neurons and network activity to behaviour in zebrafish
