哈佛大学最新研究揭示心脏如何开始跳动

哈佛大学最新研究揭示心脏如何开始跳动在对斑马鱼进行的一项研究中，研究小组发现，随着钙含量和电信号的增加，心脏细胞会突然同时开始跳动。此外，研究人员还发现，每个心脏细胞都有自行跳动的能力，不需要起搏器，而且心跳可以从不同的地方开始。这些发现最近发表在《自然》杂志上。共同第一作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所系统生物学教授肖恩-梅加森（SeanMegason）说："人们如此重视心脏的跳动，以至于它长期以来一直是研究的焦点，但这是我们第一次能够以如此高的分辨率深入研究它。"对于好奇心旺盛的生物学家来说，了解心跳的基本机制可能本身就很有趣，但这对于了解在调节心跳的心脏系统发育不正常或开始失灵的情况下发生了什么也至关重要。共同第一作者、哈佛大学化学与化学生物学和物理学教授亚当-科恩（AdamCohen）说："在人的一生中，心脏大约要跳动30亿次，而且绝不能休息。我们想看看这台不可思议的机器是如何首次开启的。"研究人员并不是要研究心脏是如何开始跳动的。相反，他们正在寻找一个科学问题，将科恩实验室在电活动成像方面的专长与梅加森实验室在研究发育中的斑马鱼细胞如何学会交流与合作方面的兴趣结合起来。他们的研究方向直指心脏。研究人员意识到，尽管从亚里士多德对小鸡的观察开始，对发育中的心脏进行了数千年的研究，但心脏细胞如何开始跳动的细节仍然是一个谜，而他们有可能解开这个谜。"我们想回答一个基本问题：心脏细胞是如何从静止到跳动的？"梅加森解释道。"心脏开始跳动是千载难逢的事件，但它是如何发生的并不明显。"这是一项探索性研究，因此他们不知道会发现什么。他们推测，也许是几个细胞开始跳动，跳动区域慢慢扩大；也许是心脏的不同部分开始独立跳动，最终合并；也许是心脏开始时跳动微弱，随着时间的推移逐渐增强。结果发现，答案都不是。研究人员利用荧光蛋白和高速显微镜成像技术，捕捉到了发育中的斑马鱼胚胎心脏细胞中钙含量和电活动的变化。他们惊奇地发现，所有心脏细胞突然从不跳动过渡到跳动--其特征是钙离子和电信号同时出现尖峰--并立即开始同步跳动，就像有人打开了开关一样。进一步的实验表明，每次心跳时，心脏的一个区域会首先发动，引发一股电流，这股电流迅速流过其他细胞，促使它们跟随跳动。有趣的是，不同斑马鱼的心跳是从不同的点开始的，这表明最先起火的细胞并不独特。这一发现与直觉相反，因为成体心脏中的细胞表现不同。第一作者比尔-贾（BillJia）是科恩和梅格森实验室的联合研究生，他说："在成体心脏中，有一群专门的起搏细胞驱动心脏跳动，而胚胎心脏中的大多数细胞都有自行跳动的能力，因此很难预测第一次跳动的位置。"由于心脏细胞是在瞬间开始跳动的，因此它们必须在第一次心跳之前就发展出跳动和感知邻近细胞跳动的能力--Megason把这比作一支军队在没有练习之前就必须开始同步行军。贾补充说："心脏首先要学会如何在没有时钟的情况下保持步调一致，单个细胞首先要学会合作，而不需要就各自的角色达成一致。有规律的心跳非常重要，但在生命之初，心跳很快就从看似一团糟的状态组织起来了。发育中的斑马鱼为研究心脏提供了一个方便的模型，因为它们是透明的，生长迅速--只需24小时就能产生心跳--而且可以通过十几个摄像头进行成像。不过，梅加森认为，相同的发育过程可能在包括人类在内的不同物种间是一致的。研究小组指出，这一发现为进一步了解不同物种的心跳发育过程打开了一扇大门，或许有一天能揭示人类心律失常等心律不齐是如何产生的。通过观察心脏的发育过程，我们可以看到不同的控制机制是如何分层的，这可能会告诉我们如果这些机制崩溃会发生什么。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387369.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387369.htm

哈佛大学的科学家们揭示了乌贼和章鱼如何发展出它们聪明的大脑袋

哈佛大学的科学家们揭示了乌贼和章鱼如何发展出它们聪明的大脑袋这不是什么秘密，是什么让它成为可能。头足类动物，包括章鱼、乌贼和墨鱼拥有所有无脊椎动物中最复杂的大脑。然而，它们如何开发这些大型大脑的过程一直是个谜。哈佛大学一个研究这些生物的视觉系统的实验室认为，他们在理解这一过程方面取得了重大进展，因为这些生物的大部分中央处理组织都集中在视觉系统。他们说，这个过程看起来令人惊讶地熟悉。来自FAS系统生物学中心的研究人员描述了他们如何使用一种新的活体成像技术，几乎实时地观察神经元在胚胎中的形成。然后他们能够通过视网膜的神经系统的发展来追踪这些细胞。他们看到的情况让他们感到惊讶。这是本文中产生的实时成像数据的一个例子。眼睛中的细胞膜被标记为荧光染料，使我们能够看到发育过程中的单个细胞行为。资料来源：KristenKoenig他们追踪的神经干细胞的行为与脊椎动物在神经系统发育过程中这些细胞的行为方式极为相似。这表明，尽管脊椎动物和头足类动物在5亿年前就相互分化，但它们不仅在使用类似的机制来制造它们的大大脑，而且这一过程以及细胞的行为、分裂和形状的方式可能基本上布局了开发这种神经系统所需的蓝图。"我们的结论令人惊讶，因为我们对脊椎动物神经系统发育的许多了解长期以来一直被认为是该系的特殊情况，"约翰-哈佛大学杰出研究员和该研究的高级作者克里斯汀-科尼格说。"通过观察这个过程非常相似的事实，它向我们建议的是，这两个独立进化的非常大的神经系统正在使用相同的机制来构建它们。这表明的是，动物在发育过程中使用的那些机制--那些工具--可能对构建大的神经系统很重要。"来自科尼格实验室的科学家们集中研究了一种叫做Doryteuthispealeii的乌贼的视网膜，更简单地说就是一种长鳍乌贼。这种鱿鱼长到大约一英尺长，在西北大西洋中非常多。作为胚胎，它们看起来相当可爱，有着圆圆的大脑袋和大眼睛。研究人员使用了与研究模式生物（如果蝇和斑马鱼）所流行的类似技术。他们创造了特殊的工具，并使用尖端的显微镜，可以每十分钟拍摄一次高分辨率的图像，连续拍摄数小时，以观察单个细胞的行为。研究人员使用荧光染料来标记细胞，以便他们能够绘制和跟踪它们。这种活体成像技术使研究小组能够观察被称为神经祖细胞的干细胞以及它们是如何组织的。这些细胞形成了一种特殊的结构，称为假上皮细胞。它的主要特征是细胞被拉长，所以它们可以密集地排列。研究人员还看到这些结构的细胞核在分裂前后都会上下移动。他们说，这种运动对于保持组织的有序性和生长的持续很重要。这种类型的结构在脊椎动物物种如何发展其大脑和眼睛方面是普遍的。在历史上，它被认为是脊椎动物的神经系统能够增长得如此巨大和复杂的原因之一。科学家们已经在其他动物中观察到这种类型的神经上皮的例子，但是他们在这个例子中观察的乌贼组织在其大小、组织和细胞核的移动方式上与脊椎动物的组织异常相似。这项研究由科尼格实验室的研究助理FrancescaR.Napoli和ChristinaM.Daly领导。接下来，该实验室计划研究头足类动物大脑中不同的细胞类型是如何出现的。科尼格想确定它们是否在不同的时间表达，它们如何决定成为一种类型的神经元而不是另一种，以及这种行动在不同的物种中是否相似。科尼格对摆在面前的潜在发现感到兴奋，他说："这类工作的一个重要启示是，研究生命的多样性是多么有价值。通过研究这种多样性，你实际上可以真正回到关于甚至我们自己的发展和我们自己的生物医学相关问题的基本想法。你可以真正谈论这些问题。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337677.htm

新的大脑地图揭示了乌贼善于伪装的奥秘

新的大脑地图揭示了乌贼善于伪装的奥秘QBI马歇尔实验室的主要作者Wen-SungChung博士说："我们对乌贼大脑的大部分了解都是基于一个单一物种，即夜间活动的欧洲普通乌贼。我们想通过关注选定的在白天活动的乌贼来填补这一知识的空白，并进一步与地中海和印度太平洋地区的其他物种进行比较。"来自昆士兰大学昆士兰大脑研究所的研究小组利用大体解剖学和磁共振成像（MRI）来监测大脑视觉和学习区域的改变，并将他们的发现与其他乌贼物种的发现进行比较，以开发一个全面的大脑连接图。Chung博士说："我们发现的是涉及化学感觉功能和身体图案控制的神经元网络，这使乌贼能够用于觅食和其伪装。我们还发现，大脑的适应性反映了它们日常生活中对生态和栖息地的要求。"大脑结构图也可以帮助研究人员了解乌贼大脑的进化途径，并反过来可能获得对我们自己大脑进化的洞察力。Chung博士说："这项研究与我们最近在章鱼和乌贼的大脑中的发现一起，增加了我们对乌贼大脑的了解。它表明，大脑结构可以用来研究头足类动物的进化历史。而通过了解其他动物的大脑结构和网络，我们可以开始感知更多塑造我们大脑的力量。"该研究由澳大利亚研究委员会、全球海军研究办公室和墨西哥国家科学技术委员会（ConsejoNacionaldeCienciayTecnología-CONACYT）资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1344427.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1344427.htm

研究揭示大陆板块运动的放缓如何控制地球上最大的火山事件

研究揭示大陆板块运动的放缓如何控制地球上最大的火山事件数百万年前发生的重大火山事件造成了气候和生物的动荡，它们推动了地球历史上一些最具破坏性的灭绝事件。现在，科学家对这些灾难性火山事件的时间和可能的原因有了新的认识。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1314593.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1314593.htm

麻省理工学院揭示神经系统如何整合环境和状态以控制行为

麻省理工学院揭示神经系统如何整合环境和状态以控制行为麻省理工学院的一项新研究详细介绍了这一方法在一种更简单的动物身上的应用实例。它强调了一个潜在的基本原则，即神经系统如何整合多种因素来指导寻找食物的行为。所有的动物都面临着在制定行为时权衡不同的感官线索和内部状态的挑战，但科学家们对这一情况的实际发生知之甚少。为了深入了解，位于皮考尔学习和记忆研究所的研究小组转向了秀丽隐杆线虫，其明确的行为状态和只有302个细胞神经系统使这个复杂的问题至少是可操作的。他们通过一个案例研究发现，在一个名为AWA的关键嗅觉神经元中，许多状态和感觉信息的来源汇聚在一起，独立地节制着一个关键气味受体的表达。它们对该受体丰度的影响的整合，然后决定了AWA如何指导四处漫游寻找食物。"在这项研究中，我们根据动物所经历的持续状态和刺激，剖析了控制单个嗅觉神经元中单个嗅觉受体水平的机制，"资深作者、麻省理工学院脑与认知科学系李斯特兄弟副教授史蒂文·弗拉维尔说。"了解这种整合如何在一个细胞中发生，将为它如何在其他蠕虫神经元和其他动物中普遍发生指明方向。"麻省理工学院博士后IanMcLachlan领导了这项研究，该研究最近发表在eLife杂志上，该团队在开始时并不一定知道他们会发现什么。事实上，麦克拉克兰、弗拉维尔和他们的团队并没有专门去寻找神经元AWA或被称为STR-44的特定嗅觉化学感受器。相反，这些目标是从他们收集的无偏见的数据中出现的，当时他们研究了当蠕虫在三小时内不进食时与进食充足时相比哪些基因的表达变化最大。作为一个类别，许多化学感觉受体的基因显示出巨大的差异。事实证明，AWA是一个拥有大量此类上调基因的神经元，而两个受体STR-44和SRD-28在这些基因中显得尤为突出。仅这一结果就表明，内部状态（饥饿）影响着感觉神经元中受体的表达程度。麦克拉克兰和他的合著者随后能够表明，STR-44的表达也会根据压力化学品的存在、各种食物的气味以及蠕虫是否得到了吃食物的好处而独立变化。由共同第二作者TalyaKramer（一名研究生）领导的进一步测试揭示了哪些气味会触发STR-44，使研究人员随后能够证明AWA内STR-44表达的变化如何直接影响食物的寻求行为。还有更多的研究确定了这些不同的信号进入AWA的确切分子和电路手段，以及它们如何在细胞内作用以改变STR-44的表达。例如，在一个实验中，麦克拉克兰和弗拉维尔的团队表明，虽然喂养的和饥饿的蠕虫都会朝着受体最喜欢的气味蠕动，如果这些气味足够强烈的话，但只有饥饿的蠕虫（表达更多的受体）可以检测到更微弱的浓度。在另一个实验中，他们发现，尽管饥饿的蠕虫在到达食物源时将放慢速度进食，即使吃饱的蠕虫在旁边游弋，但他们可以通过人为地过度表达STR-44使吃饱的蠕虫表现得像饥饿的蠕虫。这样的实验证明STR-44的表达变化对寻找食物有直接影响。其他实验显示了多种因素对STR-44的拉动。例如，他们发现，当他们添加一种化学品使蠕虫受到压力时，即使在饥饿的蠕虫中也会降低STR-44的表达。后来他们发现，同样的应激物抑制了蠕虫向STR-44所反应的气味蠕动的冲动。因此，就像你可能会避免跟随你的鼻子去面包店，即使在饥饿的时候如果你看到你的前任在那里，会权衡压力来源和饥饿感。该研究显示，它们这样做是基于这些不同的线索和状态如何拉动AWA中STR-44的表达。其他几个实验研究了蠕虫的神经系统将感觉、饥饿和主动进食线索带到AWA的途径。技术助理MalvikaDua帮助揭示了其他食物感应神经元如何通过胰岛素信号和突触连接来影响STR-44在AWA的表达。关于蠕虫是否正在积极进食的线索来自肠道中的神经元，这些神经元使用一种叫做TORC2的分子营养传感器。这些，以及压力检测途径，都作用于FOXO，它是基因表达的调节器。换句话说，所有影响STR-44在AWA中表达的输入都是通过独立推拉同一个分子杠杆来实现的。像胰岛素和TORC2这样的途径不仅存在于其他蠕虫的感觉神经元中，而且也存在于包括人类在内的许多其他动物。此外，在更多的神经元中，感觉受体因禁食而上调，而不仅仅是AWA。这些重叠表明，他们在AWA中发现的整合信息的机制很可能在其他神经元中发挥作用，也许在其他动物中也是如此。这项研究的基本见解可能有助于为研究通过TORC2的肠道-大脑信号如何在人体内发挥作用提供信息。这正在成为优雅动物中肠道到大脑信号传递的主要途径，希望它最终将对人类健康具有转化意义。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333817.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333817.htm