在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，斑馬魚作為模式生物的價(jià)值日益凸顯，但其成年個(gè)體的全腦活動(dòng)映射技術(shù)長期處于空白。近期，一項(xiàng)由韋恩州立大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開展的研究，成功搭建了一套適用于成年斑馬魚的全腦活動(dòng)映射開源管道，并以此揭示了 “新魚缸測(cè)試” 背后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。該研究通過整合組織透明化、光片顯微成像及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了成年斑馬魚全腦范圍內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)精準(zhǔn)定位，為探索脊椎動(dòng)物腦功能提供了關(guān)鍵工具。

這項(xiàng)重要研究由Neha Rajput、Kush Parikh及Justin W. Kenney等學(xué)者共同完成，發(fā)表于2025年3月的《eNeuro》期刊，題為《成年斑馬魚全腦映射及新魚缸測(cè)試功能腦網(wǎng)絡(luò)的鑒定》。研究不僅填補(bǔ)了成年斑馬魚全腦研究的技術(shù)空白，還通過解析探索行為對(duì)應(yīng)的神經(jīng)環(huán)路，為理解脊椎動(dòng)物腦-行為關(guān)系提供了全新視角。

重要發(fā)現(xiàn)
01光片熒光顯微鏡的成像原理與優(yōu)勢(shì)
光片熒光顯微鏡是一種先進(jìn)的光學(xué)成像技術(shù)其核心原理是利用一束薄薄的光片照射樣品僅激發(fā)樣品中一個(gè)薄層的熒光分子從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的快速低光毒性成像。與傳統(tǒng)的共聚焦顯微鏡相比光片熒光顯微鏡具有顯著的優(yōu)勢(shì)。首先它能夠?qū)^大體積的生物樣本進(jìn)行快速三維成像大大提高了成像效率。由于光片顯微鏡僅激發(fā)樣品的一個(gè)薄層因此可以有效減少光漂白和光毒性對(duì)樣品的影響這對(duì)于長時(shí)間觀察活體樣本或?qū)饷舾械纳锝M織尤為重要。利用光片熒光顯微鏡對(duì)透明化后的斑馬魚大腦進(jìn)行成像，成功捕捉大腦中c-fos基因的表達(dá)情況。通過熒光標(biāo)記c-fos能夠在光片熒光顯微鏡下清晰地觀察到大腦中各個(gè)區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)情況。成像結(jié)果顯示在斑馬魚探索新環(huán)境后大腦中多個(gè)區(qū)域的c-fos表達(dá)水平發(fā)生了顯著變化這些區(qū)域包括嗅球下丘腦端腦等多個(gè)重要腦區(qū)。

02 光片熒光顯微鏡在全腦活動(dòng)圖譜中的應(yīng)用
光片熒光顯微鏡的應(yīng)用不僅局限于對(duì)單個(gè)腦區(qū)的成像更是實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)斑馬魚大腦的全面觀察。通過光片熒光顯微鏡，能夠以高分辨率獲取全腦范圍內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)信息這對(duì)于構(gòu)建全腦活動(dòng)圖譜至關(guān)重要。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)斑馬魚大腦進(jìn)行了組織透明化處理這一關(guān)鍵步驟使得原本不透明的大腦組織變得透明從而為后續(xù)的光學(xué)成像創(chuàng)造了條件。隨后利用光片熒光顯微鏡對(duì)透明化后的全腦樣本進(jìn)行成像成功地捕捉到了大腦中c-fos基因的表達(dá)情況。通過對(duì)多個(gè)斑馬魚大腦樣本的成像能得到不同腦區(qū)c-fos陽性細(xì)胞的數(shù)量分布情況。這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步的功能腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供了重要的基礎(chǔ)。此外光片熒光顯微鏡的高分辨率成像能力還使得研究人員能夠觀察到單個(gè)細(xì)胞水平的神經(jīng)活動(dòng)這對(duì)于理解大腦活動(dòng)的微觀機(jī)制具有重要意義。

03 光片熒光顯微鏡與其他技術(shù)的結(jié)合
在本研究中光片熒光顯微鏡并非單獨(dú)使用而是與其他多種技術(shù)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能。首先光片熒光顯微鏡與組織透明化技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)^大體積的生物樣本進(jìn)行成像。透明化處理后的斑馬魚大腦不僅保留了其三維結(jié)構(gòu)還能夠被光片熒光顯微鏡清晰地成像。其次光片熒光顯微鏡與熒光標(biāo)記技術(shù)相結(jié)合使得研究人員能夠特異性地檢測(cè)到神經(jīng)活動(dòng)標(biāo)記物c-fos的表達(dá)情況。通過原位雜交鏈反應(yīng)（HCR）技術(shù)研究人員將c-fos mRNA的表達(dá)轉(zhuǎn)化為可被光片熒光顯微鏡檢測(cè)到的熒光信號(hào)。此外光片熒光顯微鏡還與圖像配準(zhǔn)技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)⒊上竦玫降拇竽X圖像與已有的數(shù)字腦圖譜進(jìn)行精準(zhǔn)匹配。通過ANTs軟件包研究人員將光片熒光顯微鏡成像得到的大腦圖像與成年斑馬魚腦圖譜（AZBA）進(jìn)行了高精度配準(zhǔn)。這一過程不僅提高了圖像分析的效率還為后續(xù)的腦區(qū)識(shí)別和功能分析提供了準(zhǔn)確的空間參考。與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合使得神經(jīng)活動(dòng)能夠自動(dòng)化地檢測(cè)和被分析。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本研究的創(chuàng)新之處在于成功地將光片熒光顯微鏡與其他多種技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建了一套完整的成年斑馬魚全腦活動(dòng)圖譜繪制流程。光片熒光顯微鏡以其快速成像低光毒性高分辨率等優(yōu)勢(shì)成為該研究中的關(guān)鍵工具。通過光片熒光顯微鏡研究人員不僅能夠清晰地觀察到斑馬魚大腦中神經(jīng)活動(dòng)的分布還能夠?qū)⑦@些活動(dòng)與特定的行為模式相聯(lián)系。此外光片熒光顯微鏡與其他技術(shù)的結(jié)合使得研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全腦活動(dòng)的高分辨率成像自動(dòng)化分析和功能腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。這一成果不僅為斑馬魚神經(jīng)科學(xué)研究提供了新的技術(shù)手段也為理解大腦活動(dòng)與行為之間的關(guān)系提供了新的視角。

總結(jié)與展望
光片熒光顯微鏡在斑馬魚全腦活動(dòng)圖譜的構(gòu)建中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。通過光片熒光顯微鏡研究人員成功地捕捉到了斑馬魚大腦中神經(jīng)活動(dòng)的分布并構(gòu)建了相關(guān)的行為功能腦網(wǎng)絡(luò)。這一成果不僅展示了光片熒光顯微鏡在全腦活動(dòng)圖譜繪制中的強(qiáng)大能力也為神經(jīng)科學(xué)研究提供了新的技術(shù)手段和研究思路。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化光片熒光顯微鏡技術(shù)以提高成像的分辨率和速度。此外還可以結(jié)合其他神經(jīng)科學(xué)研究手段如電生理記錄基因編輯等深入探究功能腦網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入光片熒光顯微鏡將在神經(jīng)科學(xué)研究中發(fā)揮更大的作用。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Rajput N, Parikh K, Squires A, Fields KK, Wong M, Kanani D, Kenney JW. Whole-brAIn mapPIng in adult zebrafish and identification of the functional brain network underlying the novel tank test. eNeuro. 2025 Mar 11;12(3):ENEURO.0382-24.2025.

DOI:10.1523/ENEURO.0382-24.2025.