作为行为模型的斑马鱼:游泳进入光遗传学聚光灯

由Maya Peters Kostman

Optimetics.,使用光敏蛋白质(OPSINS)来操纵细胞活性,使研究人员能够沉默或煽动神经元射击并研究随后对行为的影响。该系统是一个特别强大的工具体内行为研究,因为它是非侵入性的,并且对时间和空间有高度的控制。

斑马鱼已成为一个受欢迎的人生物模型因为他们的幼虫阶段对神经科学的研究很好。斑马鱼的幼虫是半透明的,允许与荧光标签的非侵入性实时成像和光敏蛋白的激活。此外,在生命的前2周,幼虫已经表现出不同的行为,例如自发游泳和逃避反射。这些特征与较短的发电时间和高繁殖力相结合,使斑马鱼非常适合对光电学的高通量研究。

用于斑马鱼的常见视蛋白

光遗传学通过视蛋白来实现。视蛋白是一种光敏蛋白。视蛋白用于光遗传学研究的不是原生脊椎动物,通常通过斑马鱼介绍无人机/ Gal4系统用于行为研究。在神经科学中,Opsins通常是离子通道,其允许在暴露于光线时允许带电粒子在细胞膜上穿过细胞膜。神经元烧制取决于这些带电粒子,以及它们是否使神经元的内部更积极或更负。

神经刺激:去极化

当神经元内部的正电荷超过某一阈值时,它就会去极化并发出信号。的非特定阳离子通道CHR2并且钙通道Liglur均导致离子运动导致细胞去极化。因此,它们在开关上用作神经元“。

神经元抑制:超极化

相反,当神经元内部变得更负时,它就不太可能被激发,被称为超极化。氯泵NpHR带来了负离子氯离子,使细胞超极化。因此,它起着神经元“关闭开关”的作用。

由于不同视蛋白的峰值吸收波长和光强要求不同,研究表明一些通道,如ChR2和NpHR,甚至可以同时表达,但仍然可以单独被不同的光激活(Baier等,2009)。

斑马鱼行为

几种行为分析可以在受精后5天对斑马鱼进行,包括逃逸行为和自发游泳。当受到听觉、视觉或触觉刺激时,斑马鱼幼鱼会做出明显的c弯反应,以躲避可能的危险(见图)。幼虫也会自发地缓慢游动,它们会周期性地左右摆动尾巴,以对称的运动向前移动。这种行为不是对任何特定刺激的反应。虽然逃逸反应神经通路的特点很好,但在自发游泳中还有许多有待发现的地方。

自发游泳和逃避反应的叠加框架

斑马鱼行为在行动中研究:识别触发自发游泳的神经元

研究人员在Isacoff实验室斑马鱼幼虫应用光学探测识别触发CPG(中央图案发生器)的新神经元(Wyart等,2009)。CPG是一种神经电路,涉及用于产生像自发游泳等节奏运动的周期性电动机命令。为此,使用GAL4 / UAS系统,实验室表达了脊髓神经元的不同子集中的Liglur Opsin。这产生了用不同的神经元组产生的鱼类线,可以用光激活。

从ISACOFF实验室寻找质粒!

然后,他们测试了当这些不同的神经元组被激活或“打开”时,会引发哪种游泳行为,自发的游泳或逃跑。为了区分不同的游泳行为,研究人员测量了5天大鱼的尾巴运动。将幼虫固定在头部的琼脂中,尾巴仍然自由,并照亮脊髓的不同区域。通过观察引起相似尾部运动的神经元组,他们能够根据组间的重叠部分,缩小可能负责这种反应的特定神经元的范围。

他们发现,光刺激Kolmer-Agduhr细胞足以触发对称的尾巴运动,这是自发的缓慢向前游泳所特有的。此外,只有身体一侧的Kolmer-Agduhr细胞需要光刺激才能驱动完全对称的反应。

Kolmer-Agduhr细胞的功能以前一直是个谜,但通过光遗传学工具箱提供的控制和斑马鱼模型生物的多功能性,Isacoff实验室能够将这些细胞与它们在自发游泳中的关键作用联系起来。

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参考

Arrenberg, Aristides B., Filippo Del Bene和Herwig Baier。“用卤紫质对斑马鱼行为进行光学控制。”美国国家科学院院刊106.42(2009):17968-17973。PubMed.PMID: 19805086。公共医学中心PMCID: PMC2764931

Portugues,Ruben等人。“透明的透明的光学学:幼虫斑马鱼中的电路功能。”神经生物学目前的意见23.1(2013):119-126。PubMed.PMID:23246238

怀亚特,克莱尔等人。“脊椎动物脊髓行为模块的光遗传学解剖。”自然461.7262(2009):407。PUBMEDPMID:19759620.。公共医学中心PMCID:PMC2770190。

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