大脑是一个发展中如何组装?三维软件跟踪虫胚胎的大脑发育
一个新的开源软件,可以帮助追踪神经细胞的胚胎发育和运动到全身的蠕虫病毒,科学家现在可用。中所描述的软件是在开放获取期刊发表的论文eLife12月3日由国家生物医学成像和生物工程研究所的研究人员(NIBIB)和信息技术中心(CIT);纽约纪念斯隆凯特琳癌症研究所,;耶鲁大学纽黑文,康涅狄格州的;浙江大学,中国;和康涅狄格大学的医疗中心,法明顿。NIBIB是美国国立卫生研究院的一部分。
据生物学家了解大脑,还有待揭示。一个重要的挑战是确定复杂的神经元结构的形成由数十亿细胞在人类的大脑。与许多生物挑战,研究人员首先检查这个问题在简单的生物体,如蠕虫。
虽然科学家们已经确定了一些重要的蛋白质,确定神经元在大脑形成,导航不太为人所知的是,所有这些蛋白质相互作用在一个活的有机体。模型动物,尽管人类,他们的分歧已经揭示了很多关于人体生理学,因为它们更简单和容易理解。在这种情况下,研究人员选择了秀丽隐杆线虫(秀丽隐杆线虫),因为它只有302个神经元,其中222形式尽管蠕虫病毒的仍然是一个胚胎。而这些神经元去虫神经环(大脑)他们还传播沿腹神经索,这是大致类似于人类脊髓。蠕虫甚至有自己的版本的许多相同的大脑蛋白质用于直接形成更复杂的生物如苍蝇、老鼠或人类。
“理解为什么和如何神经元形态和它们所采取的路径到达目的地有一天给我们有价值的信息关于蛋白质和其他分子因素交互神经发展期间,”哈里说鉴定,博士,NIBIB研究小组的负责人。“我们还不理解神经发育甚至在卑微的蠕虫的背景下,但是我们使用它作为一个简单的模型,如何将这些因素共同驱动蜗杆大脑和神经结构的发展。我们希望通过这样做,一些课程的翻译一直到人类。”
然而,后神经元在穿行蠕虫在其胚胎发育并不像看起来那么简单。第一个挑战是要创造新的显微镜可以记录这些的胚胎发生蠕虫通过过多的曝光,同时不破坏他们的决议需要清楚地看到单个细胞。鉴定和他的团队在NIBIB,耶鲁大学与丹尼尔Colon-Ramos合作和植绒包在斯隆凯特林,解决这个问题,开发新的显微镜,改善的速度和分辨率可以形象线虫胚胎发育。(阅读更多)
第二个问题是,在开发过程中虫开始“抽动”,蛋内移动。折叠和扭曲很难追踪细胞运动和解析。例如,如果一个神经元在几分钟,是因为胚胎扭曲或因为胚胎内的神经元实际上改变了位置?理解神经元移动到目的地的机制是一个重要因素在理解大脑如何形成和难以确定一个神经元是不知道在哪里以及如何移动。最后,它可能是一个挑战就是要确定一个神经元的在三维空间观察一个二维的蠕虫image-especially折叠起来了。
想象你想跟踪每个人在一个拥挤的礼堂,除了一次你只能看到一个人,和礼堂本身是无形的。这就是它就像试图跟踪虫神经元之间的关系,”Ryan Christensen说,博士,博士后,他领导了这一项目。“你要么需要看每个人的能力,或使礼堂可见你可以每个人在合适的位置,找出每个人的运动。我们解开软件允许我们让礼堂可见和允许我们将个人(神经元)在适当的情况下。”
蠕虫胚胎通常是透明的,但研究人员多次胚胎细胞发光与荧光蛋白作为标记。当这些细胞的显微图像输入程序,计算机识别每一个细胞,并使用这些信息来创建一个模型的蠕虫,它然后计算“螺旋分解生成直形象。这个程序还允许用户检查计算机模型的准确性和编辑任何错误被发现的时候。
“此外,用户还可以标记细胞或结构内蠕虫胚胎他们希望程序来追踪,允许用户遵循一个细胞,因为它的位置移动和生长在发展中胚胎。这个特性可以帮助科学家了解某些细胞发展成神经元,而不是其他类型的细胞,哪些因素影响大脑和神经结构的发展。
鉴定和他的同事们说,这样的技术将在他们的项目创建一个关键的4 d神经发育“虫阿特拉斯,”(见也http://www.wormguides.org),试图目录虫神经系统的形成。此目录将会是第一个全面的对整个神经系统的发展,和鉴定博士和他的同事们相信,它将有助于理解所有的神经系统的基本机制,包括我们的组装。他们还预计,发达国家的一些概念,如采取的方法结合神经数据从多个胚胎,可以应用于其他生物模型除虫。
