我們可以從已知最小的脊椎動(dòng)物大腦中學(xué)到什么？是越大越好嗎？有時(shí)，結(jié)構(gòu)較大時(shí)更容易看到。但是，就新發(fā)現(xiàn)的Danionella而言，打開了一扇新的大門，透過(guò)它我們可以實(shí)時(shí)觀察正在工作和發(fā)育的大腦，進(jìn)一步了解如何將新技術(shù)應(yīng)用于這個(gè)快速發(fā)展的行為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。
追蹤已知最小脊椎動(dòng)物大腦的微小透明魚
Danionella是小型淡水鯉科魚類的一個(gè)屬，在緬甸的山區(qū)發(fā)現(xiàn)了該屬的一個(gè)新物種：Danionella cerebrum。這種魚因其擁有目前已知最小的成年脊椎動(dòng)物大腦而得名（cerebrum：拉丁語(yǔ)中的“大腦"）。Danionella cerebrum具有光學(xué)半透明性、豐富的行為特征和僅0.6 mm 3的腦體積，在成年脊椎動(dòng)物中具有更高認(rèn)知功能的單細(xì)胞分辨率的全腦體內(nèi)成像分析中具有巨大的前景。
這種新的Danionella以前被誤認(rèn)為是Danionella translucida，因?yàn)檫@兩個(gè)物種具有很大的外部相似性，因此很難識(shí)別分類學(xué)差異。 然而，對(duì)Danionella translucida和Danionella cerebrum進(jìn)行的比較形態(tài)學(xué)和分子分類學(xué)分析揭示了一些差異，例如骨骼特征，并清楚地表明這是兩個(gè)不同的物種，根據(jù)分子分析，它們?cè)诖蠹s 1300 萬(wàn)年前彼此分離[1]。
圖片來(lái)源：Ralf Britz 博士，森肯伯格自然研究學(xué)會(huì)
觀察魚的大腦
Danionella的不同物種目前開始成為行為神經(jīng)科學(xué)的重要神經(jīng)生理學(xué)模式動(dòng)物。由于這些魚的尺寸微小、解剖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及光學(xué)半透明性，因此可以在細(xì)胞層面上研究這些魚的大腦功能。
Danionella cerebrum的演化也與斑馬魚密切相關(guān)，斑馬魚是行為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域成熟的模型，與Danionella cerebrum一樣，都表現(xiàn)出豐富的行為。
Nina Lindemann等人最近的一項(xiàng)研究[2]旨在在明暗測(cè)試中比較Danionella cerebrum和斑馬魚的幼魚運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，測(cè)量驚嚇?lè)磻?yīng)和其他行為。
魚類視頻追蹤：動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)遇見(jiàn)Danionella
Lindemann 等人使用由Noldus定制的觀察箱（由動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)供電和控制）來(lái)確定Danionella cerebrum和斑馬魚幼魚之間的行為差異。實(shí)驗(yàn)裝置由諾達(dá)思制造的尺寸為 666 毫米（長(zhǎng)）× 472 毫米（寬）× 1010 毫米（高）的定制黑箱組成，可保護(hù)幼魚免受外部影響。該盒子通過(guò)位于底部的白光和紅外的背光進(jìn)行照明，并包含一個(gè)鏡頭，頂部還帶有 850 nm紅外濾鏡。白光裝置連接到諾達(dá)思的USB-IO 盒，該盒連接動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行控制。
動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)是應(yīng)用于跟蹤和分析任何動(dòng)物的行為、運(yùn)動(dòng)和活動(dòng)研究中的視頻跟蹤軟件。在研究魚類或昆蟲時(shí)，還可以結(jié)合兩個(gè)攝像機(jī)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行跟蹤，并結(jié)合三維軌跡跟蹤系統(tǒng)中的三維跟蹤項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)三維追蹤。
趨觸性
透過(guò)在 12 孔板的每個(gè)孔內(nèi)定義外部和內(nèi)部區(qū)域（具有相等的表面積）來(lái)評(píng)估明暗測(cè)試中的趨觸性，其中在 80 分鐘內(nèi)，打開和關(guān)閉燈各兩次。明暗狀態(tài)之間的切換和計(jì)時(shí)是使用諾達(dá)思的USB-IO盒控制的，該盒與研究人員的定制化設(shè)定和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)整合。
在測(cè)量了 4.2 毫米的平均幼魚體長(zhǎng)后，作者將運(yùn)動(dòng)閾值設(shè)定在0.42至0.84毫米/秒之間（3 幀的平均值：100毫秒），以區(qū)分運(yùn)動(dòng)和不運(yùn)動(dòng)的幼魚。這意味著，當(dāng)幼魚每秒移動(dòng)的距離小于其身體長(zhǎng)度的1/10時(shí)，它們被視為不移動(dòng)，而當(dāng)它們每秒移動(dòng)的長(zhǎng)度超過(guò)其身體長(zhǎng)度的1/5時(shí)，則被視為移動(dòng)。
斑馬魚的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)有何不同？
乍一看，4-6 dpf Danionella cerebrum和斑馬魚的幼魚運(yùn)動(dòng)活動(dòng)似乎非常相似。例如，兩個(gè)物種在黑暗階段（與光明階段相比）的休息時(shí)間減少和速度增加相似。此外，在 4 dpf 時(shí)，與5 dpf和6 dpf幼魚相比，這兩個(gè)物種對(duì)光照變化的驚嚇?lè)磻?yīng)不同且不太明顯。此外，在4 dpf時(shí)，Danionella cerebrum（而非斑馬魚）偶爾會(huì)表現(xiàn)出類似「Rosetta」的同心軌跡運(yùn)動(dòng)模式，然而，在斑馬魚幼魚中并沒(méi)有觀察到這種活動(dòng)模式。
光照和黑暗中的趨觸性
與斑馬魚相比，Danionella在光照期間表現(xiàn)出更強(qiáng)的觸動(dòng)性，并且在從暗到亮的過(guò)渡期間表現(xiàn)出強(qiáng)烈的驚嚇?lè)磻?yīng)。也發(fā)現(xiàn)Danionella更喜歡占據(jù)水體的下部區(qū)域[3]。所有這些都表明該物種偏好黑暗環(huán)境。
焦慮樣行為與環(huán)境
趨觸性與焦慮樣行為有關(guān)。 Lindemann等人認(rèn)為，盡管Danionella在光下表現(xiàn)出比斑馬魚更強(qiáng)的觸動(dòng)性，但并不認(rèn)為會(huì)增加它們的焦慮水平。相反，作者更傾向于基于環(huán)境的假設(shè)作為可能的解釋。
基于Danionella和斑馬魚不同的自然棲息地，這似乎是合理的，這可能是這兩個(gè)物種之間不同驚嚇?lè)磻?yīng)的基礎(chǔ)。斑馬魚幼魚對(duì)明暗開關(guān)反應(yīng)強(qiáng)烈，對(duì)暗光開關(guān)反應(yīng)較弱。而Danionella則相反：對(duì)暗-亮開關(guān)反應(yīng)強(qiáng)烈，對(duì)明-暗開關(guān)反應(yīng)較弱。
斑馬魚更喜歡生活在靠近水面的地方
Danionella和斑馬魚生活在不同深度的水體。Danionella生活在水面下30厘米的深度，而斑馬魚通常在靠近水面淺而清澈的水中產(chǎn)卵[1, 3]。實(shí)際上，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)80% 的Danionella占據(jù)了水箱的下部區(qū)域（0-12 厘米），而斑馬魚主要( 80%) 占據(jù)了水箱的上部區(qū)域（24-36 厘米）[4]。
這可以解釋斑馬魚幼魚的典型驚嚇?lè)磻?yīng)，斑馬魚幼魚在暗光轉(zhuǎn)換中較弱，因?yàn)樗鼈兛赡芨?xí)慣于較亮的環(huán)境。
魚類體內(nèi)腦部造影
Danionella和斑馬魚都非常適合在幼魚階段進(jìn)行全腦（體內(nèi)）腦部造影。 Lindemann等人在研究中發(fā)現(xiàn)的表型行為差異（光-暗和暗-光反應(yīng)）為研究這兩個(gè)相關(guān)物種之間的神經(jīng)生理機(jī)制以及可能的神經(jīng)回路進(jìn)化提供了機(jī)會(huì)。事實(shí)上，它們的反應(yīng)不同，而環(huán)境刺激卻相似。
行為神經(jīng)科學(xué)模型正在進(jìn)步
隨著科技的進(jìn)步，我們能夠從這樣的小動(dòng)物模型中收集的信息量不斷增加，最終推動(dòng)了行為神經(jīng)科學(xué)的界限。一般來(lái)說(shuō)，魚在這一領(lǐng)域和其他領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗C明了魚可以取代經(jīng)典動(dòng)物試驗(yàn)來(lái)治療各種疾病，如癌癥、心血管疾病、糖尿病和其他慢性或神經(jīng)系統(tǒng)疾病。從這個(gè)角度來(lái)看，減少、替代和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物使用的3Rs原則開始發(fā)揮作用，進(jìn)一步激勵(lì)技術(shù)進(jìn)步和方案替代。
參考文獻(xiàn)
1.Britz, Ralf; Conway, Kevin W.; Rüber, Lukas (2021). The emerging vertebrate model species for neurophysiological studies is Danionella cerebrum, new species (Teleostei: Cyprinidae). Sci. Reports 2021 111, 11 (1), 1–11.
2.Lindemann, Nina; Kalix, Leon; Possiel, Jasmin; Stasch, Richard; Kusian, Tamia; K?ster, Reinhard Wolfgang; von Trotha, Jakob William (2022). A comparative analysis of Danionella cerebrum and zebrafish (Danio rerio) larval locomotor activity in a light-dark test. Front. Behav. Neurosci., 16, 302.
3.Parichy, D.M. (2015) Advancing biology through a deeper understanding of zebrafish ecology and evolution. eLife, 4.
4.Rajan, G.; Lafaye, J.; Faini, G.; Carbo-Tano, M.; Duroure, K.; Tanese, D.; Panier, T.; Candelier, R.; Henninger, J.; Britz, R.; Judkewitz, B.; Gebhardt, C.; Emiliani, V.; Debregeas, G.; Wyart, C.; Del Bene, F. (2022). Evolutionary divergence of locomotion in two related vertebrate species. Cell Rep.38:110585.
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挑戰(zhàn)追蹤微小透明魚
更新時(shí)間：2024-01-10 點(diǎn)擊次數(shù)：517次
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