杜久林教授最新综述：斑马鱼神经功能研究进展

　　

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生物通报道：斑马鱼是一种相对新颖的模式脊椎动物, 具有脊椎动物保守的神经系统构造和丰富的行为模式. 近年来随着在体电生理、光学成像、遗传工程等方法的建立和完善, 幼龄斑马鱼因其脑部透明、结构简单的特点, 日益成为从突触、神经元、环路到行为等多层次, 在全脑尺度上探究神经系统功能机制的理想动物模型.

近期来自上海生命科学研究院神经科学研究所的杜久林教授综述了近年来利用斑马鱼在感觉信息处理、运动控制、学习与神经可塑性等方向上所取得的重要研究进展, 并对新技术的开发提出了展望。文章指出随着研究思路的深化和实验手段的推陈出新, 斑马鱼模式动物必将成为探索脑工作原理之利器, 为神经科学研究带来更多的突破.

从1毫米长的秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)到30多米长的蓝鲸(Balaenoptera musculus), 动物能迅速而灵活地响应环境变化, 做出趋利避害的反应, 这正是神经系统引人入胜之处. 神经系统负责接受和处理各种信息, 评估周围环境和自身状态, 做出有利于机体生存繁衍的行为和认知决策.

对神经系统的研究, 目的是阐明神经元及其组成的神经环路的结构和功能是如何实现复杂的认知和行为的. 经典的实验范式刻画了单个或一小群神经元的活动与动物个体行为之间的关联, 并通过操纵性实验探究其因果关系. 然而, 人类大脑中包含数十亿个神经元, 即便是小小的秀丽线虫, 也有302 个神经元, 且各自具有独特的结构与联结. 由于行为与认知往往涉及群体神经元、多个脑区的协同工作, 对神经系统功能的研究也就需要大规模、并行记录多个神经元和脑区的活动, 探究其相互间的结构和功能关联. 因此, 需要选择合适的模式动物, 其神经系统既有足够的代表性和复杂度, 又有适当的可解性, 能够充分利用目前可能的实验手段, 对群体神经元甚至全脑大部分神经元的活动, 在活体甚至清醒的动物上进行实时观察和系统分析, 斑马鱼(Danio rerio)就是这样一种理想的选择.

斑马鱼是一种热带硬骨鱼类, 可接受多种外界感觉信息, 具有捕食猎物、逃避天敌以及成群生活等丰富的行为. 与高等脊椎动物类似, 其神经系统包含有端脑、间脑、中脑、小脑、后脑和脊髓等基本结构. 1~2周龄的斑马鱼, 已具有成年动物的多种复杂行为和脑功能, 但其大脑相对较小, 含有数万个神经元. 在10~20倍物镜下, 可观察其大脑全貌通过透明的皮肤可清楚分辨单个神经元的形态, 从而可以实现在全脑尺度上对神经元活动进行在体电生理或光学成像记录; 同时, 释放其尾部以观察感觉刺激所引起的运动, 或者通过记录脊神经电活动判断其运动.

此外, 在过去30 年来的遗传发育研究中已积累了大量的斑马鱼突变体和转基因品系; 日新月异的现代基因工程技术可以编辑特定基因, 使研究者得以标记特定的神经元类型和群体, 记录和操纵其活动. 这些技术和资源的积累为利用斑马鱼开展神经科学研究打下了坚实的基础.

基于此, 在中科院战略性先导科技专项“脑功能联结图谱计划”和美国的脑科学研究计划“创新型神经技术开展大脑
研究(brain research through advanced innovative neurotechnologies initiative)”中, 斑马鱼也是一个重要实验模型.这篇文章就重点介绍了近年来利用斑马鱼模型, 神经科学研究所取得的一些重要进展及其所带来的启迪, 并对未来的研究方向和技术创新提出展望.

文章最后，作者指出，这个年轻而蓬勃的研究领域, 尚需规范的理论框架来整合越来越多的研究者的努力. 以斑马鱼神经系统为研究对象的愉悦之处在于, 可同时把握住其小巧的“头”—多种形式的感觉输入, 流线形的“尾”—运动功能输出, 以及“头”、“尾”之间扑朔迷离的神经系统工作原理. 同时, 研究者们将充分利用斑马鱼“透明”神经系统结构, 观察并揭示其功能. 斑马鱼全脑功能的解析对人类智力基础的认识, 将提供新的契机!

原文检索：

尚春峰, 穆宇, 杜久林. 以透明脑, 观澄明心—斑马鱼神经功能研究进展. 中国科学: 生命科学, 2015, 45: 223–236
Shang C F, Mu Y, Du J L. Zebrafish swimming into neuroscience research: a visible mind in a transparent brain. SCIENTIA SINICA Vitae, 2015, 45: 223–236, doi: 10.1360/N052014-00203