Cell | 骆利群课题组利用活体成像系统性揭示果蝇嗅觉神经环路的发育机制

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大脑是最复杂的器官，人类的大脑有~10¹¹ 个神经元，即便是简单的低等生物果蝇，也有~10⁵ 个神经元。在大脑发育的过程中，每个神经元都需要通过轴突和树突和其他的神经元形成特定的网络连接结构，这种准确的神经元链接在成年后控制着各项功能。大脑发育的一个重要问题是，当如此数量众多的神经元同时在大脑中搜索需要连接的神经元，他们是如何做到目的地的精确定位的，尤其是神经元的轴突或树突常常需要生长到相对他们细胞大小非常遥远的目的地，这就相当于一次有计划地“国际旅行”。此前对于这个问题的研究多侧重于寻找控制神经连接的重要基因，但是这并不能让我们直观地看到这个“旅行”是如何发生的。

为了解决这一难题，2021年9月21日来自斯坦福的华人科学家骆利群教授及其实验室的博士后李童超博士（李童超为该论文第一作者，同时和骆利群教授为共同通讯作者）在Cell杂志上发表了题为 Cellular Bases of Olfactory Circuit Assembly Revealed by Systematic Time-lapse Imaging 的文章。果蝇的嗅觉神经环路作为经典的研究体系，因其相对简单，但又具备足够的复杂度，同时可以相对容易的发现神经连接错误，此前被用于发现控制环路发育的重要基因，但是对活体大脑的直接成像却受到大脑覆盖组织的困扰。该工作利用果蝇的嗅觉神经环路发育为研究体系，开发了基于果蝇触角-大脑的体外培养系统，通过将发育中的果蝇大脑以及嗅觉感觉神经所在的触角同时完整的解剖出来并在体外培养皿中模拟体内的生长条件，很好的重现了不同的嗅觉神经在体内发育过程中是如何找到正确的目的地（嗅球）并和特定种类的上级神经形成连接，这使得他们能够很清晰的观察到单个神经轴突/树突是如何一步一步找到最终的目的地的。

利用一种新开发的遗传工具，他们能够从每个大脑中的~3000个， 43种嗅觉神经（存在于触角中）标记少量的单个神经元，通过24小时连续的双光子显微镜的活体成像，他们观测了来自30种嗅觉感觉神经（90个单个神经元）轴突是如何从触角长到大脑的特定区域，首次系统的比较了这么多种类神经轴突同时在很小的大脑区域内的特异性生长行为。他们的发现表明，不同类型的嗅觉感觉神经在寻找目标区域的过程中，在生长速度，目标区域的选择和确定，以及向目标区域的动态生长过程，分别采取了不一样策略，表现出了生长行为的多样性。

为了更清晰快速的记录这一动态过程，他们进一步和来自珍利亚研究园区（Janelia Research Campus）的埃里克·贝齐格教授（Eric Betzig，2014年诺贝尔奖得主）及其博士后符天明博士合作，利用一种带有自适应光学校正（一种来源于天文望远镜的光学校正技术）的晶格层光显微镜（MOSAIC microscope），对单个嗅觉感受神经轴突在大脑中的生长进行了更高速（30秒/3D扫描）更清晰的活体成像，值得一提的是，他们首次发现了一种位于轴突末端的新亚细胞结构试探分枝（exploring branches），被用于轴突末端接近目标的时候探测目标信号。

为了解释轴突末端在特意性靶向生长过程中的各种形态学变化，他们进一步观察了轴突末端粒细胞骨架（细胞微丝和微管）的结构，有意思的是，他们发现神经在大脑中生长的时候，表现出和单个神经在培养皿中生长时完全不同，甚至相反的细胞骨架（此前教科书的经典模型），他们的发现表明，基于活体大脑内部神经生长的观测，对于了解正常的神经发育至关重要。

此外，李童超博士和骆利群教授巧妙地利用了微手术操作对发育过程中单侧的嗅觉感受神经进行切除，这使得他们发现了一个很有意思的现象：在发育过程中双侧的嗅觉感受神经需要彼此去生长到正确的目的嗅球，尤其是在对侧半脑的生长，受到来自对侧反向生长的嗅觉神经调控，这一实验在此前很难用传统的遗传操作方法实现，也揭示了左右半脑在发育过程中重要的协同作用。

总之，该篇文章开发了可用于大脑环路发育的高分辨率成像的活体组织培养技术，首次系统性的观测了30种嗅觉感受神经轴突的特异性目标导向的生长行为，利用最先进的显微镜技术，进一步提高了活体成像的极限，对于我们认识大脑环路的发育提供了宝贵的信息。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.08.030

制版人：十一

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