《Nature》首次捕捉胚胎心脏开始一致跳动的瞬间

科学家们首次目睹了斑马鱼胚胎心脏细胞开始一致跳动的时刻。研究人员使用先进的光学电生理学工具来观察斑马鱼心脏发育的最初几次跳动，并评估潜在的电兴奋性和连接模式。他们发现，心脏细胞突然开始跳动，而且每个心脏细胞都有能力在没有起搏器的情况下自己跳动。

　　

由哈佛医学院和哈佛大学的研究人员领导的跨部门合作，首次见证了斑马鱼胚胎心脏细胞开始一致跳动的时刻。由HMS Blavatnik研究所系统生物学教授Sean Megason博士共同领导，研究人员使用先进的光学电生理学工具观察斑马鱼心脏发育的最初几次跳动，并评估潜在的电兴奋性和连接模式。

研究小组发现，随着钙含量和电信号的增加，心脏细胞会突然开始跳动。他们的发现还表明，在没有起搏器的情况下，每个心脏细胞都有自己跳动的能力，心跳可以从不同的地方开始。

研究人员表示，研究心跳的基本生物学可以帮助科学家更好地了解人类的心律紊乱。Megason说:“人们非常重视心脏跳动，很长一段时间以来，它一直是研究的焦点，但这是我们第一次能够以如此高的分辨率深入研究它。”

Megason是该团队在《Nature》杂志上发表的论文的共同通讯作者，题为“第一次脊椎动物心跳的生物电相变模式”。

从少数几个细胞发展成一个完整的具有功能组织和器官的有机体是一个高度同步的过程，需要细胞以精确的方式组织自己，并开始协同工作。这种细胞间的合作在心脏中尤为显著，在心脏中，静止的细胞必须开始完全一致地跳动。正如作者所写的，“第一次心跳是一生一次的事件。”

了解心跳的基本机制也有助于我们理解当调节心跳的心脏系统发育不正常或开始出现故障时发生了什么。但调查人员指出，这方面的知识还存在空白。

“心脏从静止到跳动的最初转变从未在单个电事件的时间尺度上得到表征，而且早期心跳的空间和时间结构仍然知之甚少。”共同通讯作者Adam Cohen博士是哈佛大学化学、化学生物学和物理学教授说。“在一个典型的人的一生中，心脏跳动了大约30亿次，它绝不能休息。我们想看看这台不可思议的机器是如何启动的。”

研究人员并没有开始研究心脏是如何开始跳动的。相反，他们正在寻找一个科学问题，将Cohen实验室在电活动成像方面的专业知识与Megason实验室对研究发育中的斑马鱼细胞如何学习交流和合作的兴趣结合起来。这让他们想到了心脏。

他们意识到，尽管对心脏发育的研究已经进行了数千年，一直追溯到亚里士多德对小鸡的观察，但关于心脏细胞如何开始跳动的细节仍然是一个谜——一个他们有可能解决的谜。研究小组评论说:“数据的缺乏意味着有组织心脏功能出现的生物电机制仍然知之甚少。我们问，心脏是如何从静止到正常跳动的?什么是中间活动状态，以及这些状态是如何从单细胞发育轨迹的集合中出现的。我们想回答一个基本问题:心脏细胞是如何从沉默到跳动的?当你的心脏开始跳动是一生一次的事件，但它是如何发生的并不明显。”

作为一项探索性研究，研究小组并不知道他们会发现什么。他们推测，也许一些细胞会开始跳动，跳动的区域会慢慢扩大，心脏的不同部分会开始独立跳动，最终合并，或者心脏开始时跳动微弱，随着时间的推移会增强。事实上，他们的结果显示了一个非常不同的情景。

利用荧光蛋白和高速显微镜成像技术，研究人员捕捉到了斑马鱼胚胎发育过程中心脏细胞钙含量和电活动的变化。他们解释说:“我们试图通过钙成像来捕捉斑马鱼胚胎在受精后18-22小时发育过程中的这一事件。”

令研究人员惊讶的是，他们发现所有的心脏细胞突然从不跳动转变为跳动——其特征是钙和电信号同时出现峰值——它们立即开始同步跳动。“就像有人打开了开关，”Cohen说。

进一步的实验表明，每次心跳时，心脏的一个区域首先起火，引发一波电流，迅速流过其余的细胞，促使它们起火。有趣的是，不同斑马鱼的心跳从不同的位置开始，这表明先放电的细胞并没有什么独特之处。这一发现是违反直觉的，因为成人心脏中的细胞表现不同。正如作者在他们的论文中指出的那样，“最初的几次心跳突然出现，有不规则的间歇，在原始心脏中连贯地传播，并且来自不同动物和不同时间的基因位点。”

该研究的主要作者Bill Jia是Cohen和Megason实验室的一名联合研究生，他说:“成人心脏是由一群特殊的起搏器细胞驱动心跳的，而胚胎心脏中的大多数细胞都有自己跳动的能力，因此很难预测第一次跳动的位置。我们的工作显示了单细胞生物电特性的逐渐和很大程度上的异步发展如何产生了从静止到协调跳动的刻板和强大的组织尺度转变。”

因为心脏细胞是瞬间开始跳动的，所以它们必须在第一次心跳之前就培养出跳动和感知邻居心跳的能力——Megason把这比作一支军队，它必须在没有事先练习的情况下开始同步前进。“心脏首先学会如何在没有时钟的情况下保持步调，单个细胞首先学会合作，而不是在各自的角色上达成一致，”Jia补充说。“心跳规律是非常重要的，但在生命之初，它的组织速度非常快，看起来完全是一团糟。”

发育中的斑马鱼为研究心脏提供了一个方便的模型，因为它们是透明的，生长迅速——在24小时内就能发育出心跳——而且可以以12只为单位进行成像。然而，Megason认为，同样的发育过程可能在包括人类在内的所有物种中都是保守的。研究小组指出，这一发现为更多地了解物种间心跳的发展打开了大门，并可能有一天阐明心律失常等心脏不规则性是如何在人类中产生的。“通过观察心脏是如何发育的，我们可以看到不同的控制机制是如何分层的，这可能会告诉我们如果它们崩溃会发生什么，”Megason评论道。