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新闻 Release
2015年12月7日，星期一
研究人员研究发育中的大脑是如何组装的
NIH 3-D软件跟踪蠕虫胚胎的大脑发育。
现在，科学家可以使用一种新的开源软件，该软件可以帮助跟踪蠕虫整个体内的神经元细胞的胚胎发育和运动。美国国家生物医学成像与生物工程研究所（NIBIB）和信息技术中心（CIT）的研究人员于12月3日在开放存取期刊eLife上发表的一篇论文中对该软件进行了描述。以及纽约市斯隆·凯特琳纪念学院；耶鲁大学，康涅狄格州纽黑文；中国浙江大学;和康涅狄格大学法明顿大学健康中心。 尼比 是美国国立卫生研究院的一部分。
就生物学家对大脑的了解而言，还有很多事情有待揭示。一项重大挑战是确定人脑中由数十亿个细胞组成的复杂神经元结构的形成。与许多生物学挑战一样，研究人员首先在蠕虫等较简单的生物中研究此问题。
尽管科学家们已经确定了许多重要的蛋白质，这些蛋白质决定了神经元在大脑形成过程中的导航方式，但人们几乎不知道所有这些蛋白质如何在生物体内相互作用。尽管模型动物与人类不同，但它们已经更加揭示了人类生理学，因为它们更加简单易懂。在这种情况下，研究人员选择了秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，C。elegans），因为它只有302个神经元，而其中的222个是蠕虫仍是胚胎的神经元。当这些神经元中的一些进入蠕虫神经环（大脑）时，它们也沿着腹神经索扩散，这在很大程度上类似于人类的脊髓。该蠕虫甚至具有自己的许多相同蛋白质的版本，这些蛋白质用于指导果蝇，小鼠或人类等更复杂的生物体的大脑形成。
尼比 负责人Hari Shroff博士说：“了解神经元的形成方式和方式以及它们到达最终目的地的路径可能有一天为我们提供有关蛋白质和其他分子因素如何在神经元发育过程中相互作用的宝贵信息。”研究小组。 “即使在谦虚的蠕虫环境中，我们仍不了解神经发育，但我们将其用作这些因素如何共同驱动蠕虫大脑和神经元结构发育的简单模型。我们希望通过这样做，一些经验教训将逐步转化为人类。”
但是，在蠕虫的胚胎发育过程中跟随它们传播的神经元并不像看起来那样简单。第一个挑战是创建新的显微镜，该显微镜可以记录这些蠕虫的胚胎发生，而又不会因暴露在过多的光线下而损坏它们，同时仍具有清晰可见单个细胞所需的分辨率。 Shroff和他在NIBIB的团队与耶鲁大学的Daniel Daniel-Ramos和Sloan-Kettering的Zhirong Bao合作，通过开发新的显微镜来解决这个问题，该显微镜可以提高对蠕虫胚胎发育成像的速度和分辨率。 （有关更多信息，请访问： http://www.nibib.czcto.com/news-events/newsroom/new-microscopes-nih-reveal-live-developing-cells-unprecedented-3-d-clarity)
第二个问题是蠕虫在发育过程中开始“抽搐”，在卵内移动。
折叠和扭曲使其难以追踪细胞和解析运动。例如，如果神经元在几分钟内移动，是因为胚胎扭曲了还是因为神经元实际上改变了胚胎内的位置？了解将神经元移动到其最终目的地的机制是了解大脑如何形成的重要因素-如果不知道神经元在哪里以及如何移动就很难确定。最后，在查看二维图像（尤其是折叠的蠕虫）时，确定神经元在3D空间中的位置可能具有挑战性。
“想象一下，您正在努力跟踪拥挤的礼堂中的每个人，但一次只能看到一个人，而且礼堂本身是不可见的。试图追踪蠕虫中神经元之间的相互关系就是这种感觉。”负责该项目的博士后研究员Ryan Christensen博士说。 “您要么需要能够一次见到每个人，要么需要使观众席可见，以便您可以将每个人放置在适当的位置并以这种方式弄清楚每个人的动作。我们的不扭曲软件使我们能够使礼堂可见，并使我们能够将单个人（神经元）置于适当的环境中。”
蠕虫的胚胎通常是透明的，但研究人员通过荧光蛋白使胚胎中的多个细胞发光，从而充当标记。将这些细胞的显微图像输入程序后，计算机将识别每个细胞并使用该信息创建蠕虫的模型，然后通过计算将其“解开”以生成拉直的图像。该程序还使用户可以检查计算机模型的准确性，并在发现任何错误时对其进行编辑。
此外，用户还可以标记他们想要程序跟踪的蠕虫胚胎内的细胞或结构，从而使用户能够跟踪细胞在发育中的胚胎中移动和生长的位置。此功能可以帮助科学家了解与其他类型的细胞不同，某些细胞如何发育为神经元，以及哪些因素会影响大脑和神经元结构的发育。
Shroff和他的同事说，这样的技术对于创建4D神经发育“蠕虫图集”的项目至关重要。 www.wormguides.org），它试图对蠕虫神经系统的形成进行分类。该目录将是整个神经系统如何发展的第一个综合视图，Shroff博士及其同事认为，这将有助于理解所有神经系统（包括我们的神经系统）组装的基本机制。他们还期望开发出的某些概念，例如将来自多个胚胎的神经元数据进行组合的方法，除了可以用于蠕虫之外，还可以应用于其他模型生物。
尼比 的使命是通过领导开发和加速生物医学技术的应用来改善健康状况。该研究所致力于将物理和工程科学与生命科学相结合，以促进基础研究和医疗保健。 尼比 在其内部实验室内通过赠款，合作和培训来支持新兴技术的研究与开发。可在NIBIB网站上获得更多信息： http://www.nibib.czcto.com.
关于国立卫生研究院（NIH）： 美国国立医学研究院（NIH）是美国的医学研究机构，包括27个研究所和中心，并且是美国卫生与公共服务部的一部分。 NIH是进行和支持基础，临床和转化医学研究的主要联邦机构，并且正在调查常见和罕见疾病的病因，治疗方法和治愈方法。有关NIH及其计划的更多信息，请访问 www.nih.gov .
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