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科學家繪制出果蠅全腦神經圖譜
點擊次數：777 發布時間：2017-12-28
比于人大腦中的幾十億個神經元，黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的大腦含有大約25萬個神經元。然而，利用當前可獲得的工具鑒定出產生簡單和復雜的行為（如行走、跳步和求偶）的神經元回路在果蠅中是比較困難的。在一項新的研究中，為了使得對行為的神經元基礎的研究更容易控制，美國霍華德-休斯醫學研究所珍妮莉亞研究園區神經生物學家Kristin Branson和她的同事們構建出一個大型的全腦神經圖譜數據庫。這些全腦神經圖譜揭示了激活成年果蠅中的一部分神經元的行為影響。相關研究結果發表在2017年7月13日的Cell期刊上，論文標題為“Mapping the neural substrates of behavior”。
這項研究花了6年的時間才完成。由此產生的全腦圖譜目錄將神經元回路與特定的行為關聯在一起。它的原始數據可自由獲得。
根據Branson的說法，當前的神經科學技術，如電生理學成像或鈣離子成像，僅允許一次對少數神經元進行低通量記錄。
她說，“在此之前，沒有人開發出全腦方法。”此外，這些技術僅能夠在環境中不那么活躍移動的果蠅中使用。
為了開展這樣的全腦研究，Branson團隊先是利用7000多種所謂的果蠅GAL4驅動品系（GAL4 driver line）開展實驗，每種品系具有一到數百個表達GAL4轉錄因子和相對應的GAL4結合上游激活序列（upstream activating sequence, UAS）的神經元。這種GAL4-UAS系統促進一種溫度敏感性陽離子通道表達，這種陽離子通道在大約25 °C的溫度下導致果蠅的神經元放電。
通過提高每種果蠅品系的溫度，這些研究人員能夠選擇性地激活這些標記的神經元。為了可視化觀察這些操縱的神經元，他們給它們標記上綠色熒光蛋白（GFP）。Branson和她的同事們研究2204種這樣的果蠅品系，每種品系具有相對較少的僅在單個果蠅中受到激活的神經元。
這些研究人員隨后系統性地將來自每種品系的20只果蠅放置在塑料培養皿中，提高溫度激活它們的神經元，并且在15分鐘的視頻中捕捉它們的行為。他們開發出一種自動化機器學習工具，從而能夠捕捉每種果蠅品系的運動和行為，并且將它們與野生果蠅進行比較。這種工具在總共長225天的視頻中為40萬只果蠅的行為編制目錄。這種分析包括飛行、求偶和拍翼等203種果蠅行為。
Branson團隊利用這些視頻詳細地繪制出成組激活的神經元和它們相對應的行為的大腦解剖圖。在一些情形下，他們利用split-GAL4果蠅品系（在這種品系的每只果蠅中，更小的神經元亞群被激活）開展相同的神經元激活和視頻記錄實驗，進一步優化了它們的神經元-行為關聯性。
德國弗萊堡大學神經生物學家Andrew Straw（未參與這項研究）在發送給《科學家》雜志上的一封電子郵件中寫道，“Branson和她的同事們著重關注解決關于行為神經生物學的基礎問題。” 為了深入探討和更好地確定與這些行為相關聯的特定神經元，還需要針對split-GAL4果蠅品系開展更加廣泛的分析。
根據Branson的說法，這種新的資源不偏不倚地研究了與特定的神經元亞群相關聯的行為。她說，“不論神經科學家對哪種行為感興趣，他們能夠利用這些圖譜集中關注與這種行為相關聯的神經元。我們花了大量的時間讓生物學家們理解我們的數據