Wie neuronale schaltkreise bilden, in einem sich entwickelnden embryo

Neuronen, nehmen Sie Ihre Plätze ein.

Die Zellen, die schließlich zu Neuronen müssen zuerst Reisen Sie über den embryo, der Sie zu Ihrem endgültigen Bestimmungsort in das Nervensystem. Dort, Sie blühen aus unbestimmten Zellen in Neuronen mit spezifischen Rollen, der Arbeit zusammen in schaltungen direkt ein Tier Verhalten.

Aber genau, wie diese Reise sich entfaltet, ist immer noch etwas geheimnisvoll. „Es gibt viele Dinge, die wir schätzen geschehen, dass wir nicht wirklich sehen“, sagt Yinan Wan, ein Forscher am Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus. Nun, Wan und Kollegen haben Instrumente entwickelt, um die Aktion sehen, die direkt in lebenden Tieren.

Wie ein home-video-Serie die Aufnahme ein Kind vom Säuglingsalter an Ihrem ersten Tag im kindergarten, das team der neuen videos Folgen Zebrafisch-Neuronen von Ihrer Herkunft, wenn Sie den link in schaltungen, die Koordinierung der Bewegungen im Körper. Die Forscher berichten über Ihre Arbeit, September 26, 2019, die in der Fachzeitschrift Cell. Es ist das erste mal, dass Wissenschaftler haben gleichzeitig verfolgt der Entwicklungs-Ursprung, Bewegung und funktioneller Aktivität von Neuronen, da Sie eine gesamte Kreislauf von Anfang bis Ende.

Verbinden Sie den physischen Standort und Entwicklungsgeschichte der Jungen Neuronen und Ihre neuen Rollen in das Nervensystem bietet sich ein neues Fenster in die Gehirne organisieren sich, Wan sagt. „Ich sehe diese tools als Plattform für das Verständnis der neuronalen Entwicklung.“

Eine neue Ansicht

Es Wan, Janelia Gruppenleiter Philipp Keller, und der rest Ihres Teams rund sieben Jahre, um zu bauen die Werkzeuge zum sammeln und analysieren von Daten aus der Entwicklung von Neuronen.

„Sie brauchen die Technologie, die Ihnen erlaubt zu verfolgen, auf der Einzel-Zell-Ebene, die Entwicklung eines gesamten Embryos,“ sagt Keller. Es ist nicht allzu schwer zu finden, ein Mikroskop, das das image eine große Fläche, oder erfassen Sie die kleinsten details, Bilder oder wirklich schnell. Aber in der Regel Vergünstigungen kommen mit Kompromissen. Für dieses experiment, Kellers team benötigt ein Mikroskop, das könnte all jene tun Dinge auf einmal, und auf eine fragile lebenden Organismus, zu Booten. „Wollen Sie nicht, machen Sie keine Kompromisse—es muss perfekt sein“, sagt er.

Ihr Ausgangspunkt war eine light-sheet-Mikroskop, das die Keller und andere an Janelia entwickelt hatte. Im letzten Jahr, das team verwendet eine ähnliche Technologie zu beobachten, die Zellen teilen sich, bewegen sich und beginnen sich zu bilden Organe in der Entwicklung von Maus-Embryonen. Diesmal, Keller group, die sich auf das Nervensystem, die Verfolgung nicht nur dort, wo die Zellen waren, sondern auch, was jeder tut.

Zunächst haben die Wissenschaftler entwickelt, Zebrafisch ein kleines Molekül, das macht jeder Zelle, die Fische Leuchten. Im embryo die Nervenzellen, die Sie auch verfolgt, ein Molekül, das berichtet die Neuronen-Aktivität, plus eine Handvoll der wichtigsten Proteine, das sind nur vorhanden, wenn eine Zelle hat eine bestimmte Funktion—Hinweise, was die Zelle tatsächlich in den Körper. Allen gemeinsam ist, dass Informationen das team der Unterscheidung verschiedener Arten von Neuronen, und beobachten Sie, wie diese Zellen nahm Ihre Rollen.

Keller Gruppe, dann setzen Sie die Zebrafisch-Embryonen, die unter den Anwendungsbereich für 14 Stunden, die Erfassung der Bewegungen aller Zellen und nach dem Zellen-Aktivität bei einer Geschwindigkeit von vier 3-D-Bilder, die pro Sekunde mehrere Millionen hochauflösenden Momentaufnahmen insgesamt. Algorithmen entwickelt, die von Wan-und die anderen im Labor geholfen, Sie rekonstruieren die Pfade der einzelnen Neuronen. Und Janelia Mitarbeiter Ziqiang Wei und Shaul Druckmann entwickelt computergestützte Methoden zur Analyse der Neuronen-Aktivität Muster.

Im Laufe der Zeit, die Bilder aus dem Mikroskop offenbarten Zellen auf der Bewegung und finden Ihre Plätze, dann unter der Annahme bestimmter Rollen und Verdrahtung zusammen in schaltungen. Und es zeigte sich bei der Einzel-Zell-Niveau, wie hoch koordinierten Netzwerk-Aktivität zeigt sich zuerst und gibt Anlass zu der Zebrafisch zu den frühesten Verhaltensweisen.

„Viele der computational neuroscience rechts dreht sich jetzt darum, zu verstehen, wie die Muster der Aktivität in Populationen von Neuronen“, sagt Druckmann, der heute an der Stanford University. „Entwicklungs-Studien, wie diese eine ganz neue dimension: Sie machen Sinn, nicht nur von der aktuellen population dynamics, aber wie diese Muster entwickeln und verändern sich im Laufe der Zeit.“

Die Ursprünge der Bewegung

Der Kreis, der das team verwaltet in den motorstromkreis in der Zebrafisch-Rückenmark—ist das erste zu entwickeln, die in Fisch, Wan sagt. Es wurde ausführlich untersucht, aus vielen Blickwinkeln. Aber wenn es darum geht, zu verstehen, wie Zellen in der Schaltung, Reifen und beginnen, zusammen zu arbeiten, „es gibt nur eine große Wissenslücke“, sagt Sie. Die Arbeit des Teams beginnt zu erklären, wie die koordinierte Bewegung entsteht aus der Störung.

Der motor-Schaltung hat sowohl Motorische Neuronen, die Diskussion zu den Muskeln und Neuronen, die Signale von anderen Neuronen und manchmal wirken als Schrittmacher. Denn die Strecke nahm Gestalt an in der Entwicklung von Fisch -, motor-Neuronen wurden die ersten Zellen beginnen, senden von Nachrichten, das team gefunden. Das war eine überraschung, sagt Keller. Wissenschaftler gedacht hatte motorischen Neuronen, die würden wahrscheinlich Folgen die Führung von anderen Zellen in diesem Prozess.