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        新型機(jī)器人顯微鏡系統(tǒng)分析自由移動動物神經(jīng)細(xì)胞活性
        
			
        
				2019-01-21 14:42:47
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        大阪大學(xué)和東北大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型的機(jī)器人顯微鏡系統(tǒng)，可以自動跟蹤自由移動的小動物并通過“投影映射”操縱其大腦活動。他們將系統(tǒng)命名為OSaCaBeN或OSB。通過使用機(jī)器人范圍分析線蟲C. elegans--一種廣泛用于研究基本腦功能的蛔蟲- 研究人員揭示了釋放多巴胺的神經(jīng)細(xì)胞的功能多樣化。多巴胺是一種調(diào)節(jié)動物大腦運(yùn)動，情緒和動力的化學(xué)物質(zhì)。
        

        新型機(jī)器人顯微鏡系統(tǒng)分析自由移動動物神經(jīng)細(xì)胞活性
        

        為了理解大腦是如何工作的，有必要測量大腦中神經(jīng)細(xì)胞的活動，并假設(shè)特定神經(jīng)細(xì)胞的活動如何與大腦的功能相關(guān)。然后通過人工操縱神經(jīng)細(xì)胞的活動并觀察其對動物行為的影響來測試該假設(shè)，動物的行為是腦功能的最突出的輸出。
        

        由于基因工程技術(shù)的最新進(jìn)展，可以在顯微鏡下光學(xué)測量和操縱特定神經(jīng)細(xì)胞的活性。然而，由于動物大腦的復(fù)雜性，理解動物行為與特定神經(jīng)細(xì)胞活動之間的關(guān)系仍然具有挑戰(zhàn)性。
        

        該線蟲是經(jīng)常使用的神經(jīng)科學(xué)家，因為它非常小的大腦只包含302的神經(jīng)細(xì)胞。盡管如此，它還是通過使用與其他動物(包括人類)非常相似的分子來響應(yīng)各種刺激(有時會記住它們!)。此外，由于秀麗隱桿線蟲的透明體，可以通過上述光學(xué)技術(shù)容易地測量和操縱神經(jīng)細(xì)胞活動。
        

        但分析移動蠕蟲的神經(jīng)活動并不容易。蠕蟲每秒移動約0.1毫米，這是非常難以遵循的，因為它們在一秒鐘內(nèi)通過顯微鏡的視野。橋本浩一教授的研究小組通過開發(fā)一種能夠使用最先進(jìn)的軟件技術(shù)“機(jī)器視覺”自動跟蹤舞臺上的蠕蟲的機(jī)器人范圍解決了這個問題。
        

        機(jī)器人范圍從整個圖像中識別出蠕蟲頭部的一部分(圖2左下方的白色方塊)，并調(diào)整顯微鏡載物臺的位置，始終將頭部保持在視野的中心，精確±0.001毫米。“雖然這樣的圖像識別過程通常需要幾個小時，但機(jī)器人范圍每秒可以進(jìn)行200次，”橋本說。“這使我們可以光學(xué)測量蠕蟲大腦中多個神經(jīng)細(xì)胞在移動時的連續(xù)活動。”
        

        此外，在略微不同的布置中，系統(tǒng)還通過另一機(jī)器視覺軟件識別和跟蹤移動的蠕蟲中的一個特定神經(jīng)細(xì)胞(在許多中)，并且通過連續(xù)照射精細(xì)光束來操縱其活動。這是唯一能夠以這種精度執(zhí)行光學(xué)測量和神經(jīng)細(xì)胞操作的機(jī)器人顯微鏡系統(tǒng)。
        

        通過機(jī)器人范圍，Kotaro Kimura教授的研究小組揭示了多巴胺釋放神經(jīng)細(xì)胞的功能多樣化。在蠕蟲中，已知多巴胺在到達(dá)食物(細(xì)菌的草坪)時從4對神經(jīng)細(xì)胞中釋放出來。多巴胺還可以調(diào)節(jié)身體多個部位的運(yùn)動，發(fā)出感覺和學(xué)習(xí)信號。
        

        然而，食物信號 - 蠕蟲生存的最重要信息 - 如何轉(zhuǎn)化為多巴胺釋放神經(jīng)細(xì)胞的活動尚不清楚。
        

        研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)食物到達(dá)時，只有背側(cè)對多巴胺釋放神經(jīng)元(CEPD)才會被激活。(圖2)。此外，人工激活CEPD引起的行為改變類似于達(dá)到食物時觀察到的行為改變。
        

        然而，結(jié)構(gòu)相似的背側(cè)對多巴胺釋放神經(jīng)細(xì)胞(CEPV)在到達(dá)食物時未被激活，并且CEPV的人工激活不會引起類似于CEPD激活的行為變化。CEPV很可能在不同的情況下被激活，并在行為調(diào)節(jié)中發(fā)揮不同的作用。因此，研究人員發(fā)現(xiàn)即使是結(jié)構(gòu)對稱的多巴胺釋放神經(jīng)元也具有不對稱功能。
        

        “我們將使用蠕蟲和斑馬魚的機(jī)器人顯微鏡系統(tǒng)分析大腦和行為之間的更多關(guān)系，”Kimura說。“我們希望通過對這些簡單動物的分析來了解大腦功能的基本原理。”
        
			

			
          
        
			
        
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