图片来自Kristin Branson/Janelia Research Campus

 

相比于人大脑中的几十亿个神经元，黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的大脑含有大约25万个神经元。然而，利用当前可获得的工具鉴定出产生简单和复杂的行为（如行走、跳步和求偶）的神经元回路在果蝇中是比较困难的。在一项新的研究中，为了使得对行为的神经元基础的研究更容易控制，美国霍华德-休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区神经生物学家Kristin Branson和她的同事们构建出一个大型的全脑神经图谱数据库。这些全脑神经图谱揭示了激活成年果蝇中的一部分神经元的行为影响。相关研究结果发表在2017年7月13日的Cell期刊上，论文标题为“Mapping the neural substrates of behavior”。

 

 这项研究花了6年的时间才完成。由此产生的全脑图谱目录将神经元回路与特定的行为关联在一起。它的原始数据可自由获得。

 

 根据Branson的说法，当前的神经科学技术，如电生理学成像或钙离子成像，仅允许一次对少数神经元进行低通量记录。

 

 她说，“在此之前，没有人开发出全脑方法。”此外，这些技术仅能够在环境中不那么活跃移动的果蝇中使用。

 

 为了开展这样的全脑研究，Branson团队先是利用7000多种所谓的果蝇GAL4驱动品系（GAL4 driver line）开展实验，每种品系具有一到数百个表达GAL4转录因子和相对应的GAL4结合上游激活序列（upstream activating sequence, UAS）的神经元。这种GAL4-UAS系统促进一种温度敏感性阳离子通道表达，这种阳离子通道在大约25 °C的温度下导致果蝇的神经元放电。

 

 通过提高每种果蝇品系的温度，这些研究人员能够选择性地激活这些标记的神经元。为了可视化观察这些操纵的神经元，他们给它们标记上绿色荧光蛋白（GFP）。Branson和她的同事们研究2204种这样的果蝇品系，每种品系具有相对较少的仅在单个果蝇中受到激活的神经元。

 

 这些研究人员随后系统性地将来自每种品系的20只果蝇放置在塑料培养皿中，提高温度激活它们的神经元，并且在15分钟的视频中捕捉它们的行为。他们开发出一种自动化机器学习工具，从而能够捕捉每种果蝇品系的运动和行为，并且将它们与野生果蝇进行比较。这种工具在总共长225天的视频中为40万只果蝇的行为编制目录。这种分析包括飞行、求偶和拍翼等203种果蝇行为。

 

Branson团队利用这些视频详细地绘制出成组激活的神经元和它们相对应的行为的大脑解剖图。在一些情形下，他们利用split-GAL4果蝇品系（在这种品系的每只果蝇中，更小的神经元亚群被激活）开展相同的神经元激活和视频记录实验，进一步优化了它们的神经元-行为关联性。

 

 德国弗莱堡大学神经生物学家Andrew Straw（未参与这项研究）在发送给《科学家》杂志上的一封电子邮件中写道，“Branson和她的同事们着重关注解决关于行为神经生物学的基础问题。” 为了深入探讨和更好地确定与这些行为相关联的特定神经元，还需要针对split-GAL4果蝇品系开展更加广泛的分析。

 

 根据Branson的说法，这种新的资源不偏不倚地研究了与特定的神经元亚群相关联的行为。她说，“不论神经科学家对哪种行为感兴趣，他们能够利用这些图谱集中关注与这种行为相关联的神经元。我们花了大量的时间让生物学家们理解我们的数据。”（生物谷 Bioon.com）

 

参考资料：1.Alice A. Robie, Jonathan Hirokawa, Austin W. Edwards et al. Mapping the Neural Substrates of Behavior. Cell, 13 July 2017, 170(2):393–406, doi:10.1016/j.cell.2017.06.032