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《张江科技评论》

开博时间:2019-06-06 14:03:00

《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值,介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果,推动产学研密切协作,促进科技成果转化,服务经济转型发展。

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首次完整揭开动物神经系统的神秘面纱

2019-11-27 19:45:00

  秀丽隐杆线虫完整神经图谱的首次揭示,不仅为连接组学增添光彩,也为研究多细胞复杂生物体发育及其他生物学过程提供了重要基础。

  在生物学中,结构对功能的实现起着至关重要的作用。从蛋白质水平而言,蛋白质是生命活动的体现者,它的生物学功能在一定程度上取决于它特定的三维空间结构。从个体水平而言,身体每一个器官的功能也取决于内在的结构。然而,对于人体的中枢神经系统——大脑,它的均匀性与胶状稠度几乎掩盖了其背后结构的复杂性。数以十亿计的神经细胞(神经元),通过数万亿的连接(突触)相互作用,形成感知刺激、存储记忆和产生情绪的环行路线。在此环行路线里面,每个神经元及其包含的所有突触之间的相互连接模式,从神经元到各种行为之间的映射,以及完整的神经支配结构体系的走向,都是研究人员一直以来想要破解的难题。倘若我们能够绘制一张完整的大脑神经网络连接的蓝图,这将有助于我们更深入地了解大脑内在的神经交织结构,从而继续探索“上层建筑”的相关问题。

  连接组学(Connectomics)是近年来生命科学领域中神经科学的研究热点,通过绘制大脑区域和神经系统中的无数神经连接的结构,借此来探寻导致某一行为的特定神经环路,揭开神经元和行为之间的映射关系。连接组学是一个对大脑进行研究的逆向工程,曾被赋予“神经领域最高级别的研究计划”的称号并受到广泛的资助。

  连接组学的前身

  早在连接组学出现之前,已有研究人员开始破解神经系统这一项难题。20世纪60年代,英国剑桥大学教授悉尼Ÿ布伦纳(Sydney Brenner)在发现信使核糖核酸(mRNA)和破译遗传密码子之后,开始将目光转移至下一个前沿工作——神经生物学。大脑是复杂的有机体,它如何支配错综复杂的神经网络去执行对应的功能?这其间又是怎样的连接模式?为此,布伦纳展开了他的求知探索。

  在开展这项研究之前,布伦纳期望能够寻找到一种犹如噬菌体一样快速、大量地繁殖,而且神经细胞较少、体积较小、利于透射电子显微镜及遗传学手段研究的生物体。秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的发现为布伦纳开展神经生物学研究提供了良好的素材。

  秀丽隐杆线虫身体透明,神经系统构成简单,可以作为神经系统结构及其功能研究的模式生物。成年线虫仅有1毫米的长度,由大约1000个细胞组成,其中,1/3的细胞为神经元(雌雄同体中有302个神经元,雄性个体中有385个神经元),这种潜在的优势为布伦纳建立以秀丽隐杆线虫为模式生物来研究多细胞复杂生物体的发育及其他生物学过程提供了有利的先决条件。

  因秀丽隐杆线虫的神经元太小,在光学显微镜下观察不便,布伦纳研究团队将其神经元固定,制成极薄的横截面切片并在显微镜下对每个切片中可见的神经元进行精确分析。随后,该团队将一个横截面切片中的神经元与另一个切片中的神经元连接在一起,在每个横截面切片之间手动绘制连接点并绘制出神经元之间的突触(据统计约有5 000个)。1986年,布伦纳发表了第一张秀丽隐杆线虫的神经系统图。

  布伦纳的这一研究成果开创了连接组学的前身,并将秀丽隐杆线虫作为研究神经生物学的重要动物模型。但是,这一研究成果称不上完美和全面。首先,用肉眼逐一观察每个切片势必会有一定的局限和误差。其次,布伦纳只揭露了雌雄同体这一种性别的秀丽隐杆线虫的神经连接模式,对于雄性的秀丽隐杆线虫的神经连接模式却未有报道。因此,这项研究还不足以完全说明秀丽隐杆线虫的神经系统的运作方式。不过,布伦纳的研究仍为开启连接组学的研究指明了方向并奠定了坚实的研究基础。

  2012年,来自美国艾伯特Ÿ爱因斯坦医学院的斯科特Ÿ埃蒙斯(Scott Emmons)团队为上述研究填补了空缺。该团队开发了一种能更加准确映射神经元的软件,解决了因肉眼观察带来的局限性和误差问题。此外,该团队还获得了秀丽隐杆线虫雄性尾部的神经连接数据。这一研究成果发表在国际期刊《科学》(Science)上。

  连接组学的突破

  埃蒙斯研究团队乘胜追击,通过新的电子显微镜的成像技术和新开发的神经元映射软件得到了秀丽隐杆线虫雄性个体头部神经环路数据,包括神经环、逆行神经节等,并对布伦纳之前的研究数据重新进行了分析和注解。埃蒙斯研究团队将前后两种研究数据拼凑在一起,构建出两种性别的秀丽隐杆线虫成体的完整神经连接图谱,揭示了两种性别的秀丽隐杆线虫从感觉输入到终端输出的完整神经连接模式,包括各个神经元之间的连接、神经元和肌肉或其他组织之间的连接,以及肌肉组织之间的连接,并提供了这些连接强度的预估数据。2019年7月4日,此项研究成果刊登在国际期刊《自然》(Nature)中。这项研究首次完整地揭开了动物神经系统的神秘面纱,使得连接组学迎来了史无前例的突破,极大地推动神经生物学领域的发展。

  埃蒙斯研究团队基于一种能够定量地检测突触大小的重建方法,实现了对神经系统进行量化的图标分析和神经网络分析,这种数字化图像注释的方法与以前的工作相比,可以获得更多的突触。

  因电子显微镜不能完全覆盖整个秀丽隐杆线虫,于是,埃蒙斯研究团队将来自不同系列的图像进行组合并重建,对重复区域进行分析并通过重复区域推断神经连接环路。基于以上方法,该团队解析出雌雄同体的秀丽隐杆线虫的神经连接图谱中具有460个节点(302个神经元、132块肌肉组织以及26个非肌源性末端器官)、4 887个化学突触、1 447个突触间隙,雄性的秀丽隐杆线虫的神经连接图谱中则具有579个节点(385个神经元、155块肌肉组织以及39个非肌源性末端器官)、5 315个化学突触、1 755个突触间隙。这种二维空间的个体连接图谱的建立是基于感觉信息流信号途径的计算分类、感觉神经元与末端器官之间较少数量的突触连接以及网络结构的前馈特点。

  据统计,这两种性别的秀丽隐杆线虫的神经系统差异高达30%,主要集中在生殖功能:在雌雄同体中控制外阴和子宫肌肉的运动神经元;与雄性个体交配有关的控制性肌肉和尾部的神经环路。仔细观察发现,两种性别的秀丽隐杆线虫都存在的神经元是在物理和化学环境中为头部运动和导航提供感觉输入和决策的中枢神经元,其突触连接路径是相似的,但突触强度是不同的。

  神经系统与行为之间的映射

  两种性别的秀丽隐杆线虫之间的连接图谱存在显而易见的不同,那么这种不同对于各自的行为是如何映射和影响的?为此,研究人员解析了两种性别的秀丽隐杆线虫是如何完成个体行为需要的。

  ●身体运动

  秀丽隐杆线虫在觅食和运动过程中的移动是由身体上排成4列的95块体壁肌肉产生的,其中两列位于背侧,另两列位于腹侧。154个神经元具有神经肌肉连接,在这些神经元中,它们大部分信息输出到肌肉之上,控制肌肉收缩。研究人员将其中的108个神经元归类为运动神经元并根据功能将其分为3组:一组是头部运动神经元,支配前体区域的肌肉;另一组是腹神经索运动神经元,支配身体其余部分的肌肉;最后一组是外侧分支运动神经元。迄今为止,对外侧分支运动神经元的描述还不完全,因为它们的轴突未被高倍镜下的电镜采集到。

  可以预料,秀丽隐杆线虫的行为姿势是由这3组运动神经元的输入总和引起的肌肉紧张造成的。三大类别的运动神经元之间的分布与相互交流过程是非常复杂的。因此,想要完全解析秀丽隐杆线虫的运动行为与神经系统之间的关系还需要进一步建立基于完整结构的分析方法,并将秀丽隐杆线虫的行为状态与神经信号输出所建立的网络相结合。

  ●性别差异

  埃蒙斯研究团队通过对两种性别的秀丽隐杆线虫的神经连接图谱进行分析后发现,雌雄同体与雄性个体在神经系统和末端器官之间也存在着一定的差异。在雌雄同体的秀丽隐杆线虫中有8个神经元和16块性别特异的肌肉。在雄性的秀丽隐杆线虫中则有91个神经元和39块性别特异的肌肉。这些性别特异性神经元会整合在与294个神经元共享的神经系统中。在雄性个体中,67%的共享性神经元来自性别特异性神经元的输入,占神经元总输入的16%;相反,54%的共享性神经元输出到性别特异性肌肉,占性别特异性神经元输入的18%。在雌雄同体的秀丽隐杆线虫中,37%的神经元是雌雄同体特异性神经元(HSN)和腹神经索(VC)的目标,但这只占共享性神经元总输入的1.4%。

  控制产卵交配的性别特异性神经环路包括性别特异性和性别共享性神经元。在雄性个体中,控制产卵交配的神经网络由85个雄性特异性和64个共享性神经元组成。雄性个体的一些共享性神经元与其在雌雄同体中的功能相同,但它们是雄性个体特异性神经元的目标。与成年雌雄同体和幼虫阶段的秀丽隐杆线虫相比,成年雄性的秀丽隐杆线虫在参与雄性特异性神经环路的其他共享性神经元中有着广泛的分化。

  性别特异性神经元连接到大脑的性别共享性中枢神经环路中,有两个功能:调节生殖活动中的行为;介导性别特异性的欲求决策。它们的一些输出目标(其中有几个在两性中都是目标)也从性别共享的感觉环路接收信息,从而调节生殖和非生殖行为。

  揭开完整神经系统面纱的研究意义

  埃蒙斯研究团队揭秘秀丽隐杆线虫完整的神经连接图谱的工作极大地扩展了线虫分支运动神经元的表征,鉴定了性别信号通路中的中间神经元,建立了神经元之间信号传输的层级结构,进一步强调了连接组学对于研究神经系统与动物行为之间关系的重要作用。

  早在19世纪,神经科学家就一直致力于寻找与行为相对应的神经系统的结构以及细胞组成。法国外科医生、神经病理学家、人类学家保尔Ÿ布罗卡(Paul Broca)首次通过尸检证明了语言缺陷与大脑特定区域相关,该区域后来被称为布罗卡(Broca)区。布罗卡区的发现是对大脑功能整体学的第一次真正的挑战。它的发现不仅使我们了解到神经系统内的机能有自己特殊的定位,而且还找到了以脑沟回作为大脑机能分区的明确标志。

  20世纪60年代,已有一些关于神经连接图谱解析的报道,虽然不够全面和深入,但这些数据是秀丽隐杆线虫神经生物学研究的基础,为神经系统网络结构的研究和动态变化过程的检测提供了重要的依据,有助于神经网络结构的建立和发展。基于前人的研究,埃蒙斯研究团队建立了一种定量的、基于突触大小对神经系统进行量化的图标分析和神经网络分析的方法,对两种性别的秀丽隐杆线虫的神经连接进行了系统分析。该项研究不仅精确分析和注解了布伦纳的研究数据,又获得了雄性的秀丽隐杆线虫头部的神经连接数据,并将其与之前发表的雄性个体的尾部数据进行了整合。最后,埃蒙斯研究团队完整地勾画出了秀丽隐杆线虫的神经连接图谱,包括它的雌雄同体和雄性个体,并揭示出了它们之间的实质性差异。

  秀丽隐杆线虫连接图谱全解析的工作为人们建立新颖的神经连接模型、解析神经系统与行为之间的关系、猜测某些神经疾病的机制提供了一定的研究基础。神经疾病的研究一直是研究人员试图攻克的难题,但人脑的复杂性一直是神经生物学研究领域前进的绊脚石。在没有一张完整的神经连接图谱的指引下,研究人员很难理清人脑内部复杂交错的神经网络关联。完整的秀丽隐杆线虫神经连接图谱的问世,一方面是连接组学一个里程碑式的工作,另一方面也解读了神经系统是如何控制秀丽隐杆线虫的身体行为的。更重要的是,秀丽隐杆线虫的神经系统中含有某些与人类神经系统相同的分子,我们不妨借助秀丽隐杆线虫的神经图谱去逐步了解人脑内部的世界,这样既可以慢慢揭开人脑的神秘面纱,还可以为某些疾病的研究寻找新的突破口。相信在不久的将来,我们可以听到人脑的神秘面纱被揭开的喜讯。

  李珊珊,美国斯坦福大学生物工程系研究专员,博士。

  马晓颦,美国凯斯西储大学病理系研究专员,博士。

  作者:李珊珊   马晓颦

  本文来自《张江科技评论》

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