發(fā)布日期：2019-01-14
隨著哺乳動物年齡的增長，它們的嗅覺會下降。近日發(fā)表在Cell Reports上的一項研究中，德國慕尼黑亥姆霍茲研究中心和美因茨大學醫(yī)學中心的跨學科研究團隊研究了為什么會出現(xiàn)這種情況。在他們的研究中，研究人員們利用所謂的“五彩紙屑記錄器”（confetti reporter）追蹤了小鼠大腦中干細胞的發(fā)育過程。然后他們對利用智能算法獲取的復雜數(shù)據(jù)進行了分析。
在哺乳動物體內(nèi)，新神經(jīng)元的產(chǎn)生（神經(jīng)形成）主要發(fā)生在兒童早期，成年之后只有前腦中的少數(shù)區(qū)域會產(chǎn)生新神經(jīng)元。嗅覺神經(jīng)元就是這樣一個例外，干細胞通過幾個中間階段發(fā)育成嗅覺神經(jīng)元。
研究通訊作者Carsten Marr博士解釋說：“這些神經(jīng)元的產(chǎn)生在年齡大了之后就停止了。在最近的研究中，我們想要理解這一過程的分子基礎(chǔ)以及干細胞在這一過程中的作用。”他是亥姆霍茲研究中心計算生物學研究所(ICB)的研究團隊負責人。
為了闡明這一問題，亥姆霍茲研究中心組建了一個跨學科的專家團隊，包括數(shù)學家Lisa Bast和Carsten Marr，以及干細胞研究員Filippo Calzolari博士（目前在美因茨大學生理化學研究所工作）和JovicaNinkovic教授。Filippo Calzolari說：“我們利用了‘五彩紙屑記錄器’進行了譜系追蹤。在小鼠大腦中，我們誘導個體干細胞及其所有后代（所謂的克隆）以特定的顏色顯現(xiàn)。”通過這種方法，科學家們可以通過不同的顏色區(qū)分克隆細胞隨著時間的變化，這種技術(shù)就由此而得名。Calzolari補充說：“接下來，我們對比了年輕小鼠和老年小鼠的克隆細胞，以確定個體干細胞及中間產(chǎn)物對成熟嗅覺細胞的神經(jīng)形成起到什么作用。”
然而，對人類來說，對這些圖片進行系統(tǒng)分析幾乎是不可能的，因為現(xiàn)有的數(shù)據(jù)極端多樣化，使得年輕和年老的大腦難以進行比較。在這種情況下，Carsten Marr及其團隊的專業(yè)知識開始發(fā)揮作用。他們是單個細胞動力學量化專家，即研究大量人口的哪些細胞以及多少細胞決定了哪些細胞的命運。研究人員們利用人工智能技術(shù)，開發(fā)出數(shù)學模型并推導出算法來幫助分析圖像數(shù)據(jù)。
Lisa Bast解釋說：“我們將五彩紙屑記錄器測量結(jié)果與幾種神經(jīng)發(fā)生的數(shù)學模型進行了比較。我們發(fā)現(xiàn)，在老年小鼠體內(nèi)，細胞的自我更新能力下降了，特別是在某些稱為轉(zhuǎn)運擴增祖細胞的中間階段。”此外，該分析表明，不對稱細胞分裂和干細胞靜止的情況在老年小鼠體內(nèi)增加。JovicaNinkovic說：“這表明在老年階段，分化成嗅覺細胞的干細胞更少了，這些干細胞常常停留在干細胞庫中且變得不那么活躍。”
這是科學家們首次能夠利用數(shù)學模型對活體哺乳動物大腦中的神經(jīng)干細胞行為進行量化描述的研究。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(18)31879-5?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2211124718318795%3Fshowall%3Dtrue
來源：科技部
