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【Journal Club 筆記】就。很。酷。虛擬成年斑馬魚腦袋一探究竟

閱讀時間約 4 分鐘
論大腦模型的重要性

你不可不知,數位虛擬大腦的重要性。

  大家好我是菜編,因為科技的進步,研究方法也不斷推陳出新,強大的電腦分析能力更是扮演了舉足輕重的地位,很多時候在分析前需要給電腦一個基準,這就牽涉到事前數位標準模型的建立,畢竟總不能叫電腦讀紙本吧?
  除此之外,數位環境允許我們建構三維空間的模型,因為三維比二維帶有更多資訊,讓我們更清楚知道腦區、神經元間的關係。大腦中不同區域專責功能相異,串起的神經迴路是溝通管道之一,當完整的神經網絡被建立起來,透過連結就能預測可能的功能關係,例如負責記憶的腦區跟負責感到害怕的腦區若是相連,那就能猜測兩者間應該有所關聯,並依此設計行為實驗支持假說。
  幼年斑馬魚的腦圖譜已經被來自德國 Max planck的研究團隊建立,他們甚至建立了網站供人檢視不同神經的位置,但成年斑馬魚因為神經數量多好幾倍,還有完全發育的頭骨也讓牠們比透明的幼魚難研究,所以相關資料少之又少。
不過,最近來自加拿大的肯尼將為此開創一個新的紀元。

熱騰騰的研究成果,尚未正式發表於學術期刊

  今年五月在BioRχio上架了一篇論文《AZBA: A 3D Adult Zebrafish Brain Atlas for the Digital Age》,內容講述研究團隊成功建立成年斑馬魚的大腦模型,並且將內部分成217個腦區!
  BioRχio(掰歐阿慨)是一個網路資料庫,相當於學術界的方格子,放在上面的論文不用經過同儕審查,能夠自由的自己上架,很多研究在正式發表於學術期刊前,團隊會先將結果放在那邊,因為正式期刊審查時間較長,若在這期間,相同研究被剽竊就虧大了,而在BioRχio上架即是聲明:「這個研究我們已經先完成了。
  第一作者研究員肯尼(Justin W. Kenney)來自美國韋恩州立大學 (Wayne State University),這間位在底特律的州立大學創建於1868年,從有感於內戰醫療體系慘況的五位醫生所創的底特律醫學院發展而來,致力於教育學生及推進科學發展。肯尼團隊的研究著重於了解大腦神經機制與行為間的關係,這個關於虛擬成年斑馬魚大腦的研究肯定會對往後研究帶來相當多助益。
Kenny實驗室照片(右邊第一位就是Justin W. Kenney) / Kenny Lab website

怎麼建立3D大腦圖譜呢?讓我們一步一步來。

  1. 獲取樣本:
    首先,當然要先取得大腦。新鮮的大腦需經藥劑固定,才能從鬆散豆花狀,變成有固定樣貌的果凍狀,接著使用一個稱為iDISCO+的組織透化方法, 簡單來說,就是把大腦裡的脂肪移除,讓它變透明,因為腦組織跟脂肪的折射率不同正是不透明的主要原因。另外,視後續實驗需求,在中間會添加不同的抗體標記目標物質或細胞(相當於染色劑)。
  2. 取得影像:
    變透明後,接著就要拍照建立數位影像,這篇研究用的顯微鏡是Light-sheet Microscopy,有來自側邊的雷射光源,並以正對著樣本的物鏡依固定距離,由上往下在不同深度拍一張照,如此即可取得3維空間的影像資料。
  3. 建構立體模型:
    這個步驟主要目的在於連接單一個大腦照片裡的資訊,建構各自的立體大腦
  4. 建立標準模型:
    每隻魚的腦雖然長得大同小異,不過還是有些微差距,因此經由電腦計算,把每個大腦對準到相同位置,並消除掉雜訊,針對不可避免的形變進行校正,最後會得到一個所有大腦平均後的標準模型
  5. 劃清大腦分區:
    最後一個步驟要將大腦裡的行政區劃分清楚,因為不同腦區有不同功能,也有不同的神經類型跟細胞組成,經由在第一步使用的不同免疫染色標記,依照訊號強弱就可知道哪個位置該種細胞或物質特別多,依此大腦進行劃分處理。
虛擬大腦建立步驟 (Kenny et al. 2021)

推陳出新的學術生態圈,站在新研究之上看向更遠的未來

  之前分享過今年去中研院實習的經驗,最後一步尚未知的就是建立虛擬大腦模型,那時候只知道關於幼魚的研究,本來想用相同的方法處理,但剛好這篇論文出現了,瞬間出現全新的發展,目前我讀完他們所用的方法,還沒實際操作,希望屆時會對剩下不知如何操作的部分有所幫助。

最後,
AZBA已經在網路上囉!大家可以去玩玩看。

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因為想強調菜鳥身分,之後相關文章會以菜編這個筆名自稱。
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