研究人員日前第一次在活的生物體（秀麗隱桿線蟲(chóng)，Caenorhabditis elegans）內(nèi)對(duì)所有的神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)行了成像。5月18日發(fā)表在《自然—方法學(xué)》雜志上的這一成就展示了神經(jīng)信號(hào)是如何實(shí)時(shí)穿過(guò)生物體的。

    早在1986年，科學(xué)家便已經(jīng)繪制了線蟲(chóng)全部302個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的連接圖——這是第一個(gè)并且迄今為止也沒(méi)有在其他任何生物體中重復(fù)實(shí)現(xiàn)的成就。

    但是這張“線路圖”并不能幫助科學(xué)家確定導(dǎo)致一個(gè)特定行為的神經(jīng)細(xì)胞路徑。奧地利維也納大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Alipasha Vaziri還指出，研究人員也無(wú)法依據(jù)該連接圖預(yù)測(cè)線蟲(chóng)在任何時(shí)間點(diǎn)上將要做什么。而通過(guò)提供一種方法，以三維和實(shí)時(shí)的方式展示神經(jīng)細(xì)胞之間的信號(hào)活動(dòng)，這項(xiàng)新技術(shù)將使得科學(xué)家能夠?qū)崿F(xiàn)上述兩個(gè)目標(biāo)。

    Vaziri及其同事于是對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)進(jìn)行了基因改造，使得當(dāng)一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞被激活并且有鈣離子穿越其細(xì)胞膜時(shí)，整個(gè)神經(jīng)細(xì)胞將會(huì)被點(diǎn)亮。

    為了捕捉這些信號(hào)，研究人員利用一項(xiàng)名為光場(chǎng)解卷積顯微術(shù)的技術(shù)對(duì)整個(gè)線蟲(chóng)進(jìn)行了成像。這種技術(shù)將來(lái)自一組微透鏡的圖像整合在一起，并利用一種算法對(duì)其進(jìn)行分析，從而得到一個(gè)高分辨率的三維圖像。研究人員每秒鐘攝制了多達(dá)50張的整個(gè)線蟲(chóng)的圖像，從而使得他們能夠觀測(cè)秀麗隱桿線蟲(chóng)大腦、中樞神經(jīng)干以及尾部的神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)。

    接下來(lái)，研究人員利用這項(xiàng)技術(shù)分析了透明的斑馬魚(yú)（Danio rerio）幼體——隨著斑馬魚(yú)對(duì)泵入水中的化學(xué)物質(zhì)的氣味作出響應(yīng)，他們對(duì)這種小魚(yú)的整個(gè)大腦進(jìn)行了成像。在這種技術(shù)的幫助下，研究人員能夠同時(shí)捕捉約5000個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)（斑馬魚(yú)大約一共有10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞）。

    美國(guó)弗吉尼亞洲奧詩(shī)伯恩市霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所珍利亞農(nóng)場(chǎng)研究園區(qū)的神經(jīng)生物學(xué)家Misha Ahrens 表示：“線路圖和神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)是完全互補(bǔ)的。通過(guò)觀察一個(gè)或另一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，你不會(huì)理解整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)。”利用線路圖繪制神經(jīng)信號(hào)如何在神經(jīng)細(xì)胞之間游走，將使得研究人員得以查明每個(gè)單獨(dú)的神經(jīng)細(xì)胞所扮演的角色。 Ahrens 說(shuō)：“這里再也沒(méi)有隱藏的變量。”

    2013年，通過(guò)將一片光穿過(guò)動(dòng)物的組織， Ahrens 的研究小組利用一種顯微鏡技術(shù)對(duì)整個(gè)斑馬魚(yú)大腦的活動(dòng)進(jìn)行了成像。然而新的技術(shù)則要快得多——它能夠使研究人員每秒鐘拍攝的圖像數(shù)增加100倍。

    這項(xiàng)研究的合作者、劍橋市麻省理工學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)家Edward Boyden表示，研究人員接下來(lái)將用這項(xiàng)技術(shù)確定神經(jīng)細(xì)胞如何對(duì)某一種**作出響應(yīng)，進(jìn)而建立模型。他同時(shí)還希望改善這項(xiàng)技術(shù)的速度以及分辨率，目的是能夠?qū)Ω蟮慕M織進(jìn)形成像，例如哺乳動(dòng)物的大腦。

    秀麗隱桿線蟲(chóng)是一種無(wú)毒無(wú)害、可以***生存的線蟲(chóng)。其個(gè)體小，成體僅1.5mm長(zhǎng)，為雌雄同體，雄性個(gè)體僅占群體的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(gè)；但若與雄蟲(chóng)交配，可產(chǎn)生多達(dá)1400個(gè)以上的后代。自1965年起，科學(xué)家便利用線蟲(chóng)作為分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域的模式生物。