《Neuron》:首次描述斑马鱼全脑活动图

【字体: 时间:2014年03月21日 来源:生物通

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  在2014年3月19日的《Neuron》杂志发表的一项研究中,Champalimaud基金会与哈佛大学的神经科学家们共同合作,描绘了自由活动的斑马鱼单细胞分辨率的全脑活动图。

  

生物通报道:在2014年3月19日的《Neuron》杂志发表的一项研究中,Champalimaud基金会与哈佛大学的神经科学家们共同合作,描绘了自由活动的斑马鱼单细胞分辨率的全脑活动图。推荐阅读:《科学》详解美国大脑活动图谱项目

Champalimaud神经科学计划的首席研究员Michael Orger博士表示:“这为研究大脑中的神经回路,开辟了新的可能性。为了理解大脑是如何工作的,当务之急是我们能够记录脑细胞(神经元)的活动,同时,也能够将其与动物的行为联系起来。”直到最近,研究人员利用可用的方法,能够监控大脑中仅仅一小部分神经元的活动。现在,研究人员能够系统地记录斑马鱼整个大脑中的神经元活动,包括大约十万个神经元,而同一时间,研究人员正在使用高速视频监控它的运转。

Orger实验室的博士后Claudia Feierstein解释说:“鱼类通过移动眼睛和尾巴,试图追随转动的视觉模式,通过观察此刻鱼类的大脑活动,我们就能够发现参与这些行为的特定大脑组织,以及不同的活动形式如何反映感觉和运动过程的不同方面。”

这种方法的一个优点在于,由于整个大脑活动图是在一只鱼中记录,而不是多个实验结果拼凑而成,因此,研究人员可以比较不同个体的神经回路组织。Orger博士说:“当我们谈到大脑活动图时,一个重要的问题是,不同动物的神经回路在多大程度上是相似的。我们如何准确地预测‘我们将在哪里发现来自一个个大脑的特定神经元?’”

这项研究表明,神经元网络介导的简单视动行为广泛分布于整个大脑内,模式在个体之间可以说极为刻板。哈佛大学Florian Engert 教授课题组的科学家、本文共同作者Ruben Portugues指出:“如果你在一条鱼中发现具有特殊活动形式的一个区域,你通常也可以在另一条鱼的大脑中几微米之内发现具有相同活动的神经元。这具有重要的实际后果,因为有可能建立一个详细的大脑功能地图,可使研究人员定位和靶定特殊的神经元组群。这种功能性“模块”图,也可能与现有的基因表达图一致,给大脑中的不同细胞类型分配不同的行为角色。

这种绘制活动图的系统性研究方法,也使研究人员能够发现罕见的细胞群,这些细胞群可能已经隐藏了几十年。Orger博士称:“我们在鱼脑主要视觉过程区域视顶盖(optic tectum)中发现了少数神经元,可将来自两眼的运动信息整合。这非常令人惊讶,因为该区域只能从一只眼睛获得直接信息。这些细胞的数量很少,但是在动物行为中发挥重要的作用,因为它们可让鱼解读它如何在水中前进的信号。”

根据研究人员介绍,下一步他们将使用光学和遗传学靶定感兴趣的神经元亚群(例如这一个),并运用特定的操作,最终将揭示“大脑如何处理感觉信息来生成适当的运动“。(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Whole-Brain Activity Maps Reveal Stereotyped, Distributed Networks for Visuomotor Behavior
Summary:Most behaviors, even simple innate reflexes, are mediated by circuits of neurons spanning areas throughout the brain. However, in most cases, the distribution and dynamics of firing patterns of these neurons during behavior are not known. We imaged activity, with cellular resolution, throughout the whole brains of zebrafish performing the optokinetic response. We found a sparse, broadly distributed network that has an elaborate but ordered pattern, with a bilaterally symmetrical organization. Activity patterns fell into distinct clusters reflecting sensory and motor processing. By correlating neuronal responses with an array of sensory and motor variables, we find that the network can be clearly divided into distinct functional modules. Comparing aligned data from multiple fish, we find that the spatiotemporal activity dynamics and functional organization are highly stereotyped across individuals. These experiments systematically reveal the functional architecture of neural circuits underlying a sensorimotor behavior in a vertebrate brain.

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