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斑马鱼作为行为模型:游入光遗传学聚光灯下

发布时间:2022-04-06 10:25:47 阅读:13752次 来源:百度学术

  光遗传学,使用光敏蛋白(视蛋白)来操纵细胞活动,使研究人员能够沉默或激发神经元放电并研究随后对行为的影响。该系统是用于体内行为研究的特别强大的工具,因为它是非侵入性的,并且提供了对时间和空间的高度控制。

  斑马鱼已成为一种流行的模式生物,因为它们的幼虫阶段非常适合神经科学研究。斑马鱼的幼虫是半透明的,可以使用荧光标签进行无创实时成像并激活感光蛋白。此外,在生命的前 2 周,幼虫已经表现出明显的行为,例如自发游泳和逃避反射。这些特征,加上较短的世代时间和高繁殖力,使斑马鱼成为光遗传学高通量研究的理想选择。

  斑马鱼中常用的视蛋白

  光遗传学通过视蛋白发挥作用,视蛋白是光敏蛋白。光遗传学研究中使用的视蛋白不是脊椎动物原生的,通常通过UAS/Gal4 系统引入斑马鱼进行行为研究。在神经科学中,视蛋白通常是离子通道,当暴露在光线下时,它允许带电粒子穿过细胞膜。神经元放电取决于这些带电粒子,以及它们是否使神经元内部更正或更负。

  神经元刺激:去极化

  当神经元内部变为正值超过某个阈值时,它会去极化并发出信号。非特异性阳离子通道 ChR2和钙通道 LiGluR 都会引起离子运动,从而导致细胞去极化。因此,它们充当“开启开关”的神经元。

  神经元抑制:超极化

  相反,当神经元内部变得更加消极时,它变得不太可能触发并被称为超极化。氯离子泵 NpHR 引入负氯离子,使细胞超极化。因此,它起到神经元“关闭开关”的作用。

  由于不同视蛋白的峰值吸收波长和光强度要求不同,研究表明某些通道,例如ChR2 和 NpHR,甚至可以同时表达,并且仍然可以用不同的光单独激活(Baier 等,2009)。

  斑马鱼的行为

  可以在受精后 5 天对斑马鱼进行一些行为分析,包括逃跑行为和自发游泳。当受到听觉、视觉或触觉刺激的惊吓时,斑马鱼幼虫会做出明显的 C 形弯曲以逃避可能的危险(见图)。幼虫也会进行自发的慢游,它们会周期性地左右对称地拍打尾巴以向前移动。这种行为不是对任何特定刺激的反应。虽然逃逸反应神经通路已得到很好的表征,但自发游泳还有很多有待发现。

图例

  斑马鱼行为研究:识别触发自发游泳的神经元

  Isacoff 实验室的研究人员在斑马鱼幼虫中应用光遗传学来识别触发 CPG(中央模式发生器)的新神经元(Wyart 等人,2009 年)。CPG 是一种参与运动的神经回路,它为自发游泳等有节奏的运动产生周期性的运动指令。为此,实验室使用 Gal4/UAS 系统在不同的脊髓神经元亚群中表达了 LiGluR 视蛋白。这创造了具有不同神经元组的鱼线,这些神经元可以被光激活。

  从 Isacoff 实验室寻找质粒!

  然后,他们测试了当这些不同的神经元组被激活或“打开”时,会引发什么样的游泳行为,即自发游泳或逃跑。为了区分游泳行为,研究人员测量了 5 日龄鱼的尾巴运动。幼虫头部固定在琼脂上,尾巴仍然自由,脊髓的不同区域被照亮。通过观察引起类似尾巴运动的神经元组,他们能够根据组之间的重叠缩小可能负责响应的特定神经元。

  他们发现光刺激 Kolmer-Agduhr 细胞足以触发自发缓慢向前游泳所特有的对称尾巴运动。此外,只有身体一侧的 Kolmer-Agduhr 细胞需要光刺激才能驱动完全对称的反应。

  Kolmer-Agduhr 细胞的功能以前一直是个谜,但通过光遗传学工具箱提供的控制和斑马鱼模型生物的多功能性,Isacoff 实验室能够将这些细胞与其在自发游泳中的关键作用联系起来。


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