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Nature:动物神经系统的首个连接组图绘制完成

时间: 2019年07月12日 | 作者: Admin | 来源: 阿尔伯特·爱因斯坦医学院
Nature发表了由阿尔伯特·爱因斯坦医学院的研究人员完成的秀丽隐杆线虫完整神经连接组图谱,这是迄今最为完整的动物神经连接图谱。


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显微镜下的线虫。图片来源:Daniel Merritt


来源 阿尔伯特·爱因斯坦医学院

翻译 刘悦晨

审校 页一

编辑 戚译引


2019 年 7 月 3 日在线发表于《自然》(Nature)杂志的一篇研究中,来自阿尔伯特·爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)的研究人员们描述了首个完整的动物神经系统连接组图。他们的研究对象是生物学研究中使用广泛的模式生物——秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)。本研究包括所有两种性别的成年线虫,并揭示出了它们之间的显著差异。


这一发现堪称连接组学(connnectomics)研究领域的里程碑。所谓连接组学,是指通过绘制大脑、大脑区域或神经系统中无数神经元间的连接关系图,找出与特定行为相关的具体神经连接为主要研究目的学科。


“结构一直是生物学研究的中心,”这项研究的负责人 Scott Emmons 博士说。Emmons 博士是阿尔伯特·爱因斯坦医学院 Dominick P. Purpura 神经科学系的遗传学教授,同时也是分子遗传学系 Siegfried Ullmann 冠名主席。他说:“DNA 的结构解释了基因如何工作,蛋白质的结构揭示了酶的功能。如今,神经系统的结构正在揭示动物的行为,以及神经连接如何发生错误并导致疾病。”


研究者们曾提出过这样的假设,一些神经障碍和精神疾病,例如精神分裂症和自闭症,是由于“连接病变”(connectipathies)造成的,也就是说这类疾病的产生是由于神经系统内产生了错误的神经元连接。Emmons 博士说:“这一假说随后得到佐证,有研究发现一些精神类疾病是由于基因突变导致的,而这些突变的基因,其功能大多与神经元间的连接相关,连接组学也许可以帮助研究者们了解一些精神疾病发病的根本原因,可能还能为治疗提供可行的方案。”


著名的模式生物


因为秀丽隐杆线虫的体型非常小——成虫仅长约 1mm,大约由 1000 个细胞构成——神经系统也非常简单,仅有几百个神经元构成(雌性或雌雄同体的成虫具有 302 个神经元,雄性成虫具有 385 个神经元),这也使得秀丽隐杆线虫成为了了解人类复杂的大脑的最好动物模型之一。同时,它也是第一个完成全基因组测序的多细胞生物。


Emmon 博士的研究是在英国生物学家 Sydney Brenner 的工作的基础上完成的。Sydney Brenner 因其在线虫上的开创性工作,荣获 2002 年的诺贝尔生理学和医学奖。在 Brenner 博士的实验室成员 John White 的带领下,研究者们仔细分析了数千张线虫的连续电子显微照片上可见的神经结构,随后于 1986 年发表了第一张线虫神经系统的图谱。每幅图像都由一个比人类头发细一千倍的横截面“切片”组成。他和他的同事们手动地“连接每个切片之间的点”,将结构从一个图像连接到另一个图像,最终成功地详细表示出了所有的神经和其中 5000 个左右的神经连接(突触)。


Brenner 和 White 博士通过 20 年的努力,发起了连接组学的研究,并建立了线虫作为生物学和人类疾病研究的基本动物模型。但他们绘制的神经图谱,被非正式地称为“线虫之心”(The Mind of a Worm),因为他们跳过了线虫身体的大部分,并且只包括了一种性别——即雌雄同体或雌性的图谱。


拿起指挥棒


在这项新的研究中,Emmons 博士的研究小组分析了新的线虫电子显微照片和 Brenner 博士的旧照片,并利用专门开发的软件将它们拼凑在一起,最终创建了完整的成年线虫连接组图。这些图表中包括单个神经元之间的所有连接,从神经元到蠕虫肌肉和其它组织(如肠道和皮肤)的连接,以及肌肉细胞之间的突触连接,并估计出了这些突触的强度。


“虽然两种性别线虫的突触路径基本相似,但许多突触的强度不同,这为理解性行为提供了基础。”Emmons 博士说。连接组图主要的性别差异与不同性别间的生殖功能有关:例如,外阴肌和子宫肌以及在雌雄同体的个体内控制它们的运动神经元;大量其他的神经元、与性行为相关的肌肉、尾部的连接等,都会在雄性个体内产生交配回路。但除此之外,在两性相同的中枢神经通路中,有惊人数量的神经元似乎在强度上有很大差异。


Emmons 博士说:“这些相互连接的神经网络是破译线虫行为的神经控制的起点。由于线虫的神经系统中包含有许多与人类神经系统相同的递质分子,我们对线虫的了解有助于更好地理解人类的神经系统。”目前,Emmons 博士正在研究线虫的基因组是如何编码其连接组中的相关信息的。