中美学者:解密胚胎发育的软件

【字体: 时间:2015年12月09日 来源:生物通

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  最近,在12月3日的开放获取期刊《eLife》发表的一项研究中,来自美国国家生物医学成像和生物工程研究所和信息技术中心、耶鲁大学和浙江大学的研究人员,开发出一个新的开放源软件,可以帮助跟踪线虫整个身体的胚胎发育和神经细胞活动。

  

生物通报道:最近,在12月3日的开放获取期刊《eLife》发表的一项研究中,来自美国国家生物医学成像和生物工程研究所(NIBIB)和信息技术中心(CIT)、纪念斯隆-凯特林研究所、耶鲁大学、康涅狄格大学健康中心和浙江大学的研究人员,开发出一个新的开放源软件,可以帮助跟踪线虫整个身体的胚胎发育和神经细胞活动。浙江大学光电科学与工程学院的刘华峰(Huafeng Liu)教授和博士生过敏(Min Guo)是本文共同作者。延伸阅读:Cell:解码线虫的全脑活动

目前,生物学家对大脑已经有所了解,但是还有许多有待于揭示的信息。一个重要的挑战是,确定人脑中由数十亿个细胞组成的复杂神经结构。由于有许多生物学方面的挑战,研究人员首先在简单生物(如线虫)中,研究这个问题。

虽然科学家已经确定了一些重要的蛋白质,它们决定着神经元在大脑形成过程中如何定位,但是,所有这些蛋白质在活的生物体内是如何相互作用的,在很大程度上还是未知的。模式动物——尽管它们有别于人类,已经揭示了关于人类生理学的许多信息,因为它们更简单,更容易理解。在这种情况下,研究人员选择了秀丽隐杆线虫(C. elegans),因为它只有302个神经元,其中有222个是在线虫还是一个胚胎时形成的。虽然这些神经元中有一些定位到线虫神经环(大脑),它们也沿腹神经索传播,这与人类的脊髓大致相同。线虫甚至有它自己的蛋白质版本,在更复杂的生物体(如果蝇、小鼠,或人类)中,这些相同的蛋白质被用来指导大脑的形成。

NIBIB研究小组负责人Hari Shroff博士指出:“理解神经元为什么和如何形成,以及它们到达最终目的地的途径,有望可以提供关于‘在神经元的发育过程中,蛋白质和其他分子因素如何相互作用’的有价值的信息。即使在线虫的情况下,我们仍然不了解神经发育,但我们将它作为一个简单的模型,来探讨这些因素如何互相协作,推动线虫大脑和神经元结构的发育。”

然而,在胚胎发育过程中经过线虫体内的神经元并不像看上去那么简单。第一个挑战是,研发新的显微镜,可以记录这些线虫的胚胎发育,而不会通过过多的曝光而破坏它们,而仍然得到清楚看到个别细胞所需的分辨率。Shroff和他在NIBIB的团队,与耶鲁大学的Daniel Colon-Ramos、纪念斯隆-凯特琳研究所的Zhirong Bao合作,通过开发新的显微镜,提高速度和分辨率——可以影像线虫的胚胎发育,从而解决了这个问题。

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第二个问题是,在发育过程中,线虫开始“抽动”,在卵内四处运动。折叠和扭曲使我们很难跟踪细胞并解析运动。例如,如果一个神经元在几分钟的时间内移动,是因为胚胎扭曲,还是因为神经元实际上改变了在胚胎内的位置?理解使神经元到达最终目的机制,是了解大脑如何形成的一个重要因素——如果不知道神经元在哪里和如何移动,是很难确定的。最后,在三维空间中确定一个神经元的位置,同时着眼于一个二维图像——特别是一个折叠起来的线虫,可能是具有挑战性的。

带领这项研究的博士后Ryan Christensen指出:“想象一下,你想在一个拥挤的礼堂里跟踪每个人,你每次看到只能一个人,观众席本身是看不见的。这有点像尝试跟踪线虫中的神经元彼此是如何相互联系的。你既需要有能力同时看到每一个人,也需要让观众席是可见的,这样你就可以把每个人都放在适当的位置,并找出每个人的动作。我们的软件可以使观众席可见,并允许我们将每个人(神经元)放在适当的情况中。”

线虫的胚胎通常是透明的,但研究人员用荧光蛋白作为标记,使胚胎中的几个细胞发出亮光。当把这些细胞的显微图像输入计算机程序时,计算机可确定每个细胞,并使用这些信息来创建一个线虫模型,然后计算产生一个直观的图像。该程序还允许用户检查计算机模型的准确性,并在发现任何错误的时候对其进行校正。

此外,用户还可以标记线虫胚胎中他们希望程序追踪的细胞或结构,从而当一个细胞在胚胎发育过程中移动和生长的时候,让用户跟随它的位置。此功能可以帮助科学家们理解某些细胞如何发展成神经元,而不是其他类型的细胞,以及是什么因素影响了大脑和神经结构的发育。

Shroff和他的同事们说,这种技术对于他们创建四维的神经发育“线虫图谱”至关重要,(参见http://www.wormguides.org),该图谱试图编目线虫神经系统的形成。该目录将首次对整个神经系统如何发育有一个全面的了解,Shroff博士和他的同事们相信,这将有助于理解所有神经系统(包括我们的)组装的基本机制。他们还认为,开发的一些概念,如将多个胚胎的神经数据相结合的方法,可以应用到线虫之外的模式生物。

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Untwisting the Caenorhabditis elegans embryo
Abstract: The nematode Caenorhabditis elegans possesses a simple embryonic nervous system comprising 222 neurons, a number small enough that the growth of each cell could be followed to provide a systems-level view of development. However, studies of single cell development have largely been conducted in fixed or pre-twitching live embryos, because of technical difficulties associated with embryo movement in late embryogenesis. We present open source untwisting and annotation software which allows the investigation of neurodevelopmental events in post-twitching embryos, and apply them to track the 3D positions of seam cells, neurons, and neurites in multiple elongating embryos. The detailed positional information we obtained enabled us to develop a composite model showing movement of these cells and neurites in an "average" worm embryo. The untwisting and cell tracking capability we demonstrate provides a foundation on which to catalog C. elegans neurodevelopment, allowing interrogation of developmental events in previously inaccessible periods of embryogenesis.

 

 

 

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