胚胎发育过程中神经回路如何形成

神经元,把你的地方。

的细胞最终成为神经元必须首先穿越胚胎神经系统达到他们的最终目的地。那里,他们花从定义神经元细胞与特定的角色,一起工作在电路直接一个动物的行为。

但这次旅行如何展开仍有些神秘。“有很多事情我们猜测正在发生,我们没有看到,“忆南向Wan说,霍华德·休斯医学研究所的研究员Janelia研究校园。现在,广域网和她的同事们开发了一些工具,用于观察动作直接在活的动物。

像一个家庭视频系列记录一个孩子从婴儿到上幼儿园的第一天,团队的新视频跟着斑马鱼从他们的起源时,链接成神经元回路,协调身体的运动。2019年9月26日,研究人员报告他们的工作,在《华尔街日报》细胞。这是第一次,科学家们同时跟踪的发展起源,运动,和所有神经元的功能活动形成一个完整的电路,从开始到结束。

连接的物理位置和发育历史年轻神经元神经系统的新兴角色提供了一个新窗口进入大脑组织自己,Wan说。“我认为这些工具的平台了解神经发展。”

一个新的视图

这是广域网,Janelia组长菲利普·凯勒和其他球队一些七年构建所需的工具来收集和分析数据来自发展中神经元。

“你需要技术,允许您跟踪,在单细胞层面,整个胚胎的发展,”凯勒说。并不太难找到一个显微镜图像大面积,捕捉最微小的细节,或拍照非常快。但通常这些福利有权衡。对于这个实验,凯勒的团队需要一个显微镜,可以做所有这些事情,在脆弱的生物,。“你不想让任何compromises-it需要完美,”他说。

他们的起点是一个纸张显微镜,凯勒和其他在Janelia发达。去年,该团队使用相似的技术观察细胞分裂、移动和开始形成发展中小鼠胚胎的器官。这一次,凯勒的关注神经系统,跟踪不仅在细胞也都在做什么。

首先,科学家转基因斑马鱼包括小分子,使每一个细胞都在发光的鱼。胚胎的神经元,他们还跟踪一个分子,报告神经元的活动,再加上少量的关键蛋白质,只有当一个细胞在特定function-clues体内细胞实际上是做什么。所有信息让团队在一起,区分不同类型的神经元和看着这些细胞承担自己的角色。

凯勒的团队然后把范围下的斑马鱼胚胎14小时,捕获的运动细胞和细胞的活动后的速度每second-several百万4三维图像高分辨率的快照。算法由广域网和其他人在实验室帮助他们重建单个神经元的路径。魏Janelia合作者自强和扫罗Druckmann开发计算技术分析神经元的活动模式。

随着时间的推移,显微镜图片显示细胞移动,找到他们的地方,然后假设特定的角色,连接成电路。显示,在单细胞水平,高度协调的网络活动首先出现,引起斑马鱼最早的行为。

“很多计算神经科学现在围绕如何理解模式在皮层的神经元的活动,“Druckmann说,现在是斯坦福大学的基础。这样的“发展研究添加一个全新的维度:不仅理解当前的种群动态,但这些模式如何发展和随时间变化的。”

运动的起源

团队这时候——汽车电路的电路在斑马鱼脊髓是第一个发展鱼,Wan说。从很多角度进行了广泛的研究。但当涉及到电路中了解细胞成熟并开始一起工作,“有大的知识差距,”她说。团队的工作开始解释如何协调运动摆脱障碍。

马达电路既有运动神经元,这跟肌肉,和中间神经元,引进其他神经元的信号,有时作为心脏起搏器。随着电路成形发展中鱼,运动神经元细胞率先开始发送消息,研究小组发现。这是一个惊喜,凯勒说。科学家们认为汽车神经元可能会效仿其他细胞在这一过程中。

“我们已经重建个别器官甚至整个胚胎的发展在过去,”凯勒说,“但我们从来没有结合系统之前,高速功能成像相同的细胞。”Looking at brain cell development and function together lets the researchers piece together how neural function emerges—at the single-cell level.