Cell：发育中的胚胎如何构建神经回路？

来源：BioArt

想象你是一名工程师，需要搭建非常复杂的电路，你需要把手头的材料首先做成可用的不同元件，然后将它们按顺序连接起来。胚胎发育过程中，神经系统面临的就是这样的挑战——祖细胞要分化成不同类型的神经元，在它们之间建立正确的连接，神经网络才能产生有序的电活动，从而支持动物体生存所需的各种输出和运算。细胞在时间和空间上是怎样精确协作完成这项任务的呢？

2019年9月26日，霍华德·休斯医学研究所Janelia研究院Philipp Keller和万一楠团队在Cell上发表文章Single-Cell Reconstruction of Emerging Population Activity in an Entire Developing Circuit，以斑马鱼脊髓的运动环路为例，详细观察、描述了这一过程。

在神经环路发育的初期阶段，神经元会产生自发的电活动（spontaneous activity），这样的电活动不仅反映了环路中神经元之间的组织方式，更对神经发育产生影响。在斑马鱼胚胎的脊髓中，这样的自发电活动从胚胎出生17小时开始产生直至24小时形成简单的神经网络，让鱼尾在身体两侧左右摆动，做出发育过程中的第一种运动行为。我们利用了斑马鱼胚胎体外发育并且完全透明的特点，让胚胎中组成运动神经网络的脊髓神经元在光片显微镜（Light-sheet microscopy）下“尽收眼底”。我们系统地跟踪了发育过程中脊髓神经元从祖细胞开始的移动、分裂、细胞命运，以及分化后神经元的电活动。这是科学家首次在脊椎动物体内在单个细胞水平上观察到整个神经环路的发育过程。

斑马鱼胚胎22小时有规律的神经活动

运动神经元“一马当先”

通过跟踪每个神经元在发育过程中的三维位置以及对应位置的钙信号，我们记录了上百个神经元在发育过程中的电活动。令人惊讶的是，网络中最先开始活跃的是不是系统中的”将军”，而是传统意义上被认为仅仅是运动指令输出者的运动神经元。运动神经元们在发育过程中最先产生信号，并引导其周围的神经元产生相似的节律电活动，形成局部的小规模神经回路。我们认为运动神经元的早期活动对系统发育有重要的意义。

神经网络“大而统一”

运动神经元开启了局部神经回路的序曲，那么不同体节之间的神经元是怎样同步起来的呢？一系列的激光损坏分析（lesion analysis）显示，只有当网络中神经元和神经连接数目达到一定限度时，大规模的同步神经信号才会产生。在胚胎环路发育过程中，我们观察到的正是这一现象：小规模的神经环路合并，通过中间神经元的联结缩短局部神经环路中神经发放的时间差，最终形成在身体同侧同时发放的全局性神经网络。

系统发育“有迹可循”

除了观察神经元自发活动的钙信号，我们从神经祖细胞时期就开始跟踪细胞的运动，并重建了神经元之间的细胞谱系（cell lineage）和细胞运动轨迹。我们详细观察了神经板（neural plate）折叠成脊髓（spinal cord）过程中各类神经元的起始位置和出生时间，发现细胞的神经活动和系统发生有很好的对应关系：先出生的神经元往往会先开始发放神经电信号，更早的加入到有规律的神经网络中去。除此之外，运动神经元来自神经板中部，而脊髓背侧跨中缝的神经元来自于神经板两侧。这些观察第一次将神经系统发育过程中，细胞分裂前的谱系历史和分裂后的神经活动联系起来，为接下来详细研究细胞分化奠定了可以参照的蓝图。

运动环路中神经元的发育过程

促成这项技术需要克服的关键难点，在于如何连续快速记录发育过程中所有神经元的活动信号，光片显微镜的稳定、无损的成像解决了这一问题，以每秒四个三维图像的速度连续记录超过4个小时。而这也给后续的数据分析带来了第二个个难点：如何从海量的数据中提取出单个神经元发育进度的有用信息。我们的合作者魏子强和Shaul Druckmann采用了因子分析（factor analysis）的方法，详细测定了神经元与网络共享部分的电活动与其自身所有电活动所占的比例，为定量衡量神经元在网络形成过程中的发育进程打下了坚实的理论基础。随着成像技术的不断发展，越来越先进的记录方式为我们带来在神经网络不同阶段的神经信号，我们的技术可以被应用于其它变化中的神经网络活动，比如动物在学习前后的网络结构的变化等等。希望这一研究可以抛砖引玉，启发更多的神经生物学家，在系统神经生物学学与发育神经生物学的交界处挖掘出更加有意思的发现。