科學家首次實現線蟲全神經實時成像

線蟲

　　研究人員日前第一次在活的生物體（秀麗隱杆線蟲，Caenorhabditis elegans）內對所有的神經細胞活動進行了成像。5月18日發表在《自然—方法學》雜誌上的這一成就展示了神經信號是如何實時穿過生物體的。

　　早在1986年，科學家便已經繪製了線蟲全部302個神經細胞的連接圖——這是第一個並且迄今為止也沒有在其他任何生物體中重複實現的成就。

　　但是這張「線路圖」並不能幫助科學家確定導致一個特定行為的神經細胞路徑。奧地利維也納大學神經科學家Alipasha Vaziri還指出，研究人員也無法依據該連接圖預測線蟲在任何時間點上將要做什麼。而通過提供一種方法，以三維和實時的方式展示神經細胞之間的信號活動，這項新技術將使得科學家能夠實現上述兩個目標。

　　Vaziri及其同事於是對秀麗隱杆線蟲進行了基因改造，使得當一個神經細胞被激活並且有鈣離子穿越其細胞膜時，整個神經細胞將會被點亮。

　　為了捕捉這些信號，研究人員利用一項名為光場解卷積顯微術的技術對整個線蟲進行了成像。這種技術將來自一組微透鏡的圖像整合在一起，並利用一種算法對其進行分析，從而得到一個高解析度的三維圖像。研究人員每秒鐘攝製了多達50張的整個線蟲的圖像，從而使得他們能夠觀測秀麗隱杆線蟲大腦、中樞神經幹以及尾部的神經細胞活動。

　　接下來，研究人員利用這項技術分析了透明的斑馬魚（Danio rerio）幼體——隨著斑馬魚對泵入水中的化學物質的氣味作出響應，他們對這種小魚的整個大腦進行了成像。在這種技術的幫助下，研究人員能夠同時捕捉約5000個神經細胞的活動（斑馬魚大約一共有10萬個神經細胞）。

　　美國維吉尼亞州奧詩伯恩市霍華德·休斯醫學研究所珍利亞農場研究園區的神經生物學家Misha Ahrens表示：「線路圖和神經細胞活動是完全互補的。通過觀察一個或另一個神經細胞，你不會理解整個神經系統。」利用線路圖繪製神經信號如何在神經細胞之間遊走，將使得研究人員得以查明每個單獨的神經細胞所扮演的角色。Ahrens說：「這裡再也沒有隱藏的變量。」

　　2013年，通過將一片光穿過動物的組織，Ahrens的研究小組利用一種顯微鏡技術對整個斑馬魚大腦的活動進行了成像。然而新的技術則要快得多——它能夠使研究人員每秒鐘拍攝的圖像數增加100倍。

　　這項研究的合作者、劍橋市麻省理工學院神經生物學家Edward Boyden表示，研究人員接下來將用這項技術確定神經細胞如何對某一種刺激作出響應，進而建立模型。他同時還希望改善這項技術的速度以及解析度，目的是能夠對更大的組織進行成像，例如哺乳動物的大腦。

　　秀麗隱杆線蟲是一種無毒無害、可以獨立生存的線蟲。其個體小，成體僅1.5mm長，為雌雄同體，雄性個體僅佔群體的0.2%，可自體受精或雙性生殖；在20℃下平均生活史為3.5天，平均繁殖力為300至350個；但若與雄蟲交配，可產生多達1400個以上的後代。自1965年起，科學家便利用線蟲作為分子生物學和發育生物學研究領域的模式生物。