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近日，在《eLife》期刊上发表的一项研究中，来自美国国家生物医学成像和生物工程研究所（NIBIB）、信息技术中心（CIT）、纪念斯隆-凯特琳研究所、耶鲁大学、康涅狄格大学健康中心和浙江大学的研究人员，开发出一款新的开源软件，用于追踪线虫整个胚胎的发育过程及神经细胞活动。浙江大学光电科学与工程学院的刘华峰教授和博士生过敏为本文共同作者。

目前，生物学家对大脑已有一定了解，但仍有许多未知信息。一个重要挑战是确定人脑中由数十亿个细胞组成的复杂神经结构。由于生物学上的复杂性，研究人员首先在简单生物如线虫中研究这一问题。线虫（秀丽隐杆线虫）仅有302个神经元，其中222个在胚胎期形成。这些神经元部分定位到线虫的神经环（相当于大脑），并沿腹神经索分布，类似于人类的脊髓。线虫拥有与更复杂生物（如果蝇、小鼠或人类）中指导大脑形成的蛋白质相似的版本。

NIBIB研究小组负责人Hari Shroff博士指出：“理解神经元为何及如何形成，以及它们到达最终目的地的途径，有望提供关于神经发育过程中蛋白质和其他分子因素如何相互作用的宝贵信息。即使在线虫中，我们仍不完全了解神经发育，但将其作为简单模型，探讨这些因素如何协作推动大脑和神经元结构的发育。”

然而，追踪胚胎发育过程中线虫体内的神经元并非易事。第一个挑战是研发新型显微镜，既能记录胚胎发育，又不会因过度曝光损伤胚胎，同时保持足够分辨率以清晰观察单个细胞。Shroff团队与耶鲁大学的Daniel Colon-Ramos、纪念斯隆-凯特琳研究所的Zhirong Bao合作，开发出速度更快、分辨率更高的显微镜，成功对线虫胚胎发育进行成像。

第二个问题是，发育中的线虫开始在卵内“抽动”、折叠和扭曲，使得跟踪细胞和解析运动变得困难。例如，一个神经元在几分钟内移动，可能是由于胚胎扭曲，还是神经元实际改变了位置？理解神经元到达最终目的地的机制是了解大脑形成的关键，但若不清楚神经元的位置和移动方式，则难以确定。此外，在三维空间中定位神经元，同时观察二维图像（尤其是折叠的线虫）具有挑战性。

领导该研究的博士后Ryan Christensen解释道：“想象一下，你想在拥挤的礼堂里跟踪每个人，但每次只能看到一个人，且观众席本身不可见。这类似于尝试跟踪线虫中神经元之间的相互联系。你需要同时看到每个人，并让观众席可见，以便将每个人置于适当位置并找出其动作。我们的软件使观众席可见，并允许我们将每个神经元置于正确情境中。”

线虫胚胎通常透明，研究人员使用荧光蛋白标记，使胚胎中的几个细胞发光。将这些细胞的显微图像输入计算机程序后，计算机可识别每个细胞，并利用这些信息创建线虫模型，进而生成直观图像。该程序还允许用户检查模型的准确性，并在发现错误时进行校正。

此外，用户可标记希望程序追踪的细胞或结构，从而在胚胎发育过程中跟随其位置。此功能有助于科学家理解某些细胞如何发育为神经元而非其他类型细胞，以及影响大脑和神经结构发育的因素。

Shroff及其同事表示，该技术对于创建四维神经发育“线虫图谱”至关重要（参见http://www.wormguides.org），该图谱旨在编目线虫神经系统的形成过程。这将首次全面了解整个神经系统的发育，Shroff博士相信，这将有助于理解所有神经系统（包括人类）组装的基本机制。他们还认为，开发的一些概念，如将多个胚胎的神经数据相结合的方法，可应用于线虫以外的模式生物。