斑马鱼模式动物在神经功能环路探究中应用

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1、斑马鱼模式动物在神经功能环路探究中应用　　摘要：斑马鱼是发育、遗传以及药物发现研究中常用的模式动物。作为重要的脊椎动物模式系统之一，斑马鱼与人类基因有高度同源性，中枢神经系统也与哺乳动物相似。近来，斑马鱼在神经科学研究以及生理心理学相关问题的研究中的应用日益广泛。研究者们对斑马鱼幼鱼及成鱼的行为表现及行为发育开展了多方面的研究。基于斑马鱼模式动物的特点及优势，遗传突变和药物筛选在对动物行为表现的分子机制的研究中起到重要的推动作用。关键词：斑马鱼；行为学模型；行为发育；遗传突变；药物筛选分类号：B8451.前言14人类的心理活动控制行为表现，外在行为是内在心理的表现。心理异常将

2、导致认知、情绪等方面的疾病。认识各种心理现象的内在细胞分子机制有助于我们更好地了解心理相关疾病，发现可能的治疗方法。人类脑成像及遗传相关性研究证实心理现象与在动物中保守的分子及基因相关，而更多对其神经环路机制的认识来自动物模型的研究。斑马鱼是发育、遗传以及药物发现研究中常用的模式动物。斑马鱼模式动物具有良好的遗传可操作性，便于开展对斑马鱼转基因动物及基因敲除动物的研究。相比小鼠，斑马鱼模式动物具有个体小，易繁殖，产卵力高等特点（Grunwal&Eisen，2002；贾顺姬，孟安明，2012）。这使得斑马鱼模式动物适用于高通量的行为分析检测（Granatoetal.，1996）

3、以及对活性化合物的筛选（Riheletal.，2010；Wolman，Jain，Liss，&Granato，2011）。基于这些特点，斑马鱼模式动物可以在神经功能环路的分子遗传基础研究以及筛选影响环路功能活性化合物的研究当中发挥较独特的作用。斑马鱼成鱼与幼鱼都可用于行为学实验来检测神经环路的功能。幼鱼由于其相对简单的行为，有限的行为参数以及高通量等特点被更普遍地应用。而成鱼具有更为多样的行为及生理反应，可进行更复杂实验的行为分析。在本文中，我们将首先简述斑马鱼中几种常用的行为模型以及当前对斑马鱼行为发育的研究。然后我们将介绍斑马鱼糖皮质激素受体基因突变的研究与人抑郁症机制之间

4、可能的关系，并介绍高通量活性化合物筛选应用于睡眠、非联合型学习等行为的机制研究的结果。最后，我们将展望TALEN基因敲除技术在神经功能环路研究中可能的应用。2.行为模型2.1感觉运动反应14斑马鱼幼鱼在1周左右时就能表现出许多特定的刻板反应（Wolman&Granato，2012）。通过特定的感觉刺激即可诱发这些显著的运动反应，即感觉运动反应。已知神经基础的感觉运动反应可用于基因正向筛选。GeorgeStreisinger是最早将斑马鱼作为模式生物用于神经系统发育研究的遗传学家。上世纪70年代，Streisinger及其同事利用γ射线诱发视觉缺陷的突变体用于视觉引导行为相关基

5、因的研究（Chakrabarti，Streisinger，Singer，&Walker，1983；Walker&Streisinger，1983）。随后，Nusslein-Volhard，Bonhoeffer和Driever实验室利用斑马鱼幼鱼进行大规模基因筛选（Drieveretal.，1996；Haffteretal.，1996），后续的工作从中发现了数百个突变，能够影响由视觉和触觉引起的感觉运动（Granatoetal.，1996；Neuhaussetal.，1999）。其中部分突变的基因已被克隆并识别，用于研究相关的人类神经系统疾病。简单的感觉运动行为并非对刺激简单不

6、变地响应，同时还受到更高级别神经基质的调控。例如脊椎动物中保守的声惊吓反应还受环境和经验的调节。研究发现强刺激前出现一个微弱的非惊吓声刺激会抑制惊吓反应，即前弱刺激抑制（prepulse14inhibition）。利用这一现象，Burgess和Granato筛得前弱刺激抑制减弱突变株，表明斑马鱼在受精后5天时感觉门控已经具有功能（Burgess&Granato，2007）。除了前弱刺激抑制，研究发现单一重复的声惊吓刺激会导致惊吓反应迅速减弱，即适应。运用不同的行为策略研究声惊吓反应有助于了解感觉信息处理，学习及认知功能障碍的潜在神经机制。2.2情感和记忆相关行为2.2.1黑白

7、偏好研究显示斑马鱼对于光照表现出显著的选择行为，成鱼具有避开光亮环境的本能。自由状态下，斑马鱼选择在黑暗区域呆更长时间，这种行为可维持至少几十分钟。有意思的是对于光亮环境，斑马鱼幼鱼（1～2周）则表现出偏好而非回避。作为发育进程调控的选择逆转，该现象的内在神经基础仍待进一步研究。Lau等证实黑白选择行为与情绪及激励相关（Lau，Mathur，Gould，&Guo，2011）。他们将抗焦虑药作用于成鱼，结果显示光回避行为减少，同时视觉及运动能力不受影响。此外，基于c-los的神经活动映射技术显示背侧前脑区