神经回路是如何在发育中的胚胎中形成的科

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育成具有特定功能的神经元，在回路中共同工作，指导动物的行为。

但这段旅程究竟是如何展开的，仍然有些神秘。“有很多事情我们猜测正在发生，但实际上我们并没有看到，”霍华德休斯医学研究所(HowardHughesMedicalInstitute)珍妮亚研究所(JaneliaResearchCampus)的研究员尹南万(音)说。现在，万和她的同事们已经开发出了直接观察动物行为的工具——在活体动物身上。

就像一个家庭视频系列，记录了一个孩子从婴儿时期到他们上幼儿园的第一天，这个团队的新视频跟踪了斑马鱼神经元从它们的起源到它们连接成协调身体运动的回路。研究人员于年9月26日在《细胞》杂志上发表了他们的研究成果。这是科学家首次同时追踪所有神经元的发育起源、运动和功能活动，因为它们从头到尾形成了一个完整的回路。

Wan说，将年轻神经元的物理位置和发育历史与它们在神经系统中的新角色联系起来，为了解大脑自我组织的方式提供了一个新的窗口。“我认为这些工具是理解神经发展的一个平台。”

新的景象

Wan、Janelia、小组组长PhilippKeller和他们团队的其他成员花了大约七年的时间来构建收集和分析发育中的神经元数据所需的工具。

凯勒说:“你需要一种技术，可以让你在单细胞水平上跟踪整个胚胎的发育。”不难找到一种显微镜，它可以成像很大的面积，捕捉最小的细节，或拍照非常快。但通常这些好处是有权衡的。在这个实验中，凯勒的团队需要一种显微镜，可以同时在一个脆弱的生物体上做所有这些事情。他表示:“你不想做出任何妥协——它需要完美。”

他们的出发点是凯勒和Janelia的其他人开发的一种光板显微镜。去年，研究小组使用类似的技术观察细胞分裂、移动，并开始在小鼠胚胎发育过程中形成器官。这一次，凯勒的小组把重点放在神经系统上，不仅追踪细胞的位置，还追踪每个细胞在做什么。

首先，科学家们改造斑马鱼，使其包含一种小分子，这种小分子能使鱼体内的每个细胞发光。在胚胎的神经元中，他们还追踪了一种分子，这种分子可以报告神经元的活动，以及一些只有在细胞具有特定功能时才会出现的关键蛋白质——这是细胞在体内实际活动的线索。总之，这些信息让研究小组能够区分不同种类的神经元，并观察这些细胞发挥各自的作用。

凯勒的研究小组将斑马鱼胚胎置于显微镜下14小时，捕捉所有细胞的运动，并以每秒4张3d图像的速度跟踪细胞的活动——总共有数百万张高分辨率的快照。Wan等人在实验室开发的算法帮助他们重建单个神经元的路径。Janelia的合作者魏子强(ZiqiangWei)和绍尔德鲁克曼(ShaulDruckmann)开发了用于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运动，并找到它们的位置，然后扮演特定的角色，连接成电路。它显示了，在单细胞水平上，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。

“目前，许多计算神经科学都围绕着如何理解神经元群的活动模式展开，”现就职于斯坦福大学(StanfordUniversity)的德鲁克曼说。“像这样的发展研究增加了一个全新的维度:不仅理解当前的人口动态，而且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，研究小组瞄准的神经回路——斑马鱼脊髓中的运动神经回路——是第一个在鱼类身上开发出来的。它已经从许多角度得到了广泛的研究。但当涉及到如何理解回路中的细胞如何成熟并开始协同工作时，“这只是一个巨大的知识鸿沟，”她说。研究小组的工作开始解释协调运动是如何从混乱中产生的。

这个运动回路既有与肌肉交流的运动神经元，也有从其他神经元接收信号、有时充当起搏器的中间神经元。研究小组发现，当这个回路在发育中的鱼体内形成时，运动神经元是第一个开始发送信息的细胞。这是一个惊喜，凯勒说。科学家们曾认为运动神经元在这个过程中可能会跟随其他细胞的脚步。

凯勒说:“我们在过去重建了单个器官甚至整个胚胎的发育，但我们从来没有把这种技术与对同一细胞的全系统高速功能成像技术结合起来。”研究人员将脑细胞的发育和功能结合在一起，从而拼凑出神经功能是如何在单细胞水平上出现的。

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