斑馬魚是一種原產于南亞地區的小型熱帶淡水魚，成魚體長只有3厘米左右。斑馬魚發育速度快，受精后3天左右主要組織器官發育已經完成，5天左右開口進食，約3個月達到性成熟，壽命可達2年以上。由于斑馬魚是體外受精發育并且胚體透明，因此其組織器官的發育和變化、血流、心跳等都可以在顯微鏡下直接進行觀察。
 

 

斑馬魚跟哺乳動物相比，具有飼養密度高（100㎡可養殖2-3萬尾成年斑馬魚、養殖成本低（小鼠的1/10）、實驗通量高（可在96孔板中進行高通量分析）、所需要的樣品量少（100mg以內）、便于活體觀察、實驗周期短（大部分實驗5天以內可以完成）、繁殖能力強（每隊親本一次可繁殖200枚左右胚胎）等顯著優勢。

由于斑馬魚和人類基因有著87%的高度同源性，作為模式生物的優勢很突出，是重要的實驗動物，堪稱“水中小白鼠”，其實驗結果大多數情況下適用于人體。

目前斑馬魚模式動物常用于以下研究領域：

1. 癌癥發病機理研究和抗癌藥篩選

2. 神經系統疾病研究

3. 代謝性疾病研究

4. 藥物毒性評價

5. 免疫學研究

在高級神經活動中，斑馬魚實驗模型在學習與記憶中的應用比果蠅、海兔等更加廣泛。斑馬魚的學習可以在很多行為中得到體現，如社會交流、覓食、航行及捕食逃避等。在斑馬魚的學習行為實驗中，可以使用T迷宮，條件位置偏愛等來探討年齡對斑馬魚學習與記憶功能的影響。
 

 

（斑馬魚T迷宮，條件位置偏愛箱行為實驗圖）

除此之外，作為一種白晝活動的魚類，斑馬魚有明顯的晝夜節律，體內的激素水平也會有一個周期性的變化。斑馬魚也會發生晝夜節律性的睡眠，對于睡眠時期的行為觀察，一般常用的手段是使用具有紅外線感應功能的照相機，分析其呼吸頻率、心跳頻率和腮動頻率，再結合電生理方面的知識，從而對斑馬魚的睡眠有一個較全面的了解。

野外條件下，當斑馬魚在下雨天或是在渾濁的水中游動時，其視覺感知功能十分有限，因此除了嗅覺可能在這其中起作用外，斑馬魚具有的磁場感知功能也會發揮作用，這在斑馬魚的遷移過程中顯得更加重要。

1~2 周齡的斑馬魚已具有成年動物的多種復雜行為和腦功能，但其大腦相對較小，以 1 周齡為例，約為300(背腹軸)×500(左右軸)×800(頭尾軸) μm3，含有數萬個神經元。在 10~20 倍物鏡下，可觀察其大腦全貌；通過透明的皮膚可清楚分辨單個神經元的形態，從而可以實現在全腦尺度上對神經元活動進行在體電生理或光學成像記錄。
 

（斑馬魚鈣成像模式圖）

神經系統負責接受和處理各種信息，評估周圍環境和自身狀態，做出有利于機體生存繁衍的行為和認知決策。對神經系統的研究，目的是闡明神經元及其組成的神經環路的結構和功能是如何實現復雜的認知和行為。近年來，在斑馬魚視覺和嗅覺系統方面所取得的研究進展，為揭示感覺信息加工和處理的機制提供了新的線索。

// 視網膜功能
雙極細胞(bipolar cell，BC)是視網膜神經環路中第二級神經元，其對光反應特性是視覺信息加工和處理的重要一環。通過鈣成像方法，將定位到突觸前的SynGCaMP2特異性地表達在雙極細胞中，在活體斑馬魚上監測這些神經元軸突終末的神經活動。不論是給光反應(on response，ON)還是撤光反應(off response，OFF)、瞬時活動還是持續活動，雙極細胞的軸突末都表現出類似于動作電位的“全或無”式的快速鈣活動，且這種活動受到視覺輸入的調節。

使用類似方法觀察突觸遞質囊泡在細胞膜上的融合過程，通過給予不同強度的光刺激并記錄相應的突觸反應，約有 1/2 表現出非線性的特點: 當光刺激強度逐漸增加時，其反應經過一個極小值和一個極大值后方達到平臺期。這種非線性突觸具有更大的動態范圍，可以更為有效地傳遞視覺信息。活動逐漸增強的突觸與無長突細胞(amacrine cell，AC)的突起在空間位置上重疊，提示后者可能是調節的來源。光學成像記錄無長突細胞對視覺刺激的反應，發現其活動逐漸降低，可能導致分布在同一亞層的雙極細胞所接受的反饋性抑制性輸入下降，從而使得雙極細胞的反應逐漸增強，藥理實驗也有同樣的發現。

使用在體電生理記錄方法，可以系統地分析視網膜視神經節細胞的功能發育。運用全細胞膜片鉗記錄方法，神經節細胞在不同發育階段的氯離子平衡電位(ECl-)，即抑制性突觸輸入的反轉電位，在發育過程中逐漸向超極化方向偏移 ，從而使得抑制性神經遞質伽馬氨基丁酸 (γ- Aminobutyric acid，GABA)引起的反應由發育早期的興奮性向發育晚期的抑制性轉變，這種轉變的時間節點與神經節細胞對光反應的出現有很好的對應關系。
 

（微量注射/膜片鉗解決方案）

// 視覺朝向選擇型和方向選擇型的神經環路機制

為了實現有效的信息編碼，很多神經細胞會選擇性地對感覺輸入的某一特征(比如運動信息)作出反應，這一過程稱為特征檢測(feature detection)。斑馬魚的視覺中樞即視頂蓋(optic tectum)位于斑馬魚中腦背部，接受神經節細胞的軸突投射，并將信息傳遞至下游的多個腦區，在視覺相關行為中起關鍵作用。一方面，視頂蓋中有為數眾多的神經元其視覺反應具有方向選擇性或朝向選擇性; 另一方面，視頂蓋空間位置和相對清晰的投射結構便于光學成像，因此，該腦區很適合研究特征檢測的神經環路機制。

根據投射關系，可以推測視頂蓋神經元的方向選擇性和朝向選擇性有2個可能的來源: 來自投射神經元神經節細胞，或來自視頂蓋內部的抑制性突觸。局部抑制性突觸傳遞對于視頂蓋神經元的方向選擇性是必要的，且這些神經元所接受的抑制性輸入確實具有方向選擇性。當用運動光條刺激斑馬魚時，閾下反應中的抑制性成分較興奮性成分具有更強的方向選擇性，其方向偏好性與細胞閾上反應(即動作電位反應)的相反。此外，對于神經元偏好的方向，抑制性突觸輸入的潛伏期更長; 而對于相反方向的刺激，抑制性輸入的潛伏期更短。

視頂蓋神經元通過不對稱方式接受鄰近中間神經元的抑制性輸入，從而獲得方向選擇性，而發育過程中產生的特定投射關系使得頂蓋神經元從前一級輸入獲得方向選擇性; 進一步，視頂蓋來源的具有方向選擇性的抑制性輸入使得頂蓋神經元的選擇性更為顯著。

// 視覺捕食行為的機制
斑馬魚視覺行為的一個主要功能是在捕食過程中識別并追蹤獵物。使用不同大小的運動光點作為視覺刺激，發現 1 度視角的光點可以引起自由游動的斑馬魚匯聚雙眼并朝向光點游動，類似于草履蟲誘發的捕食行為。采用不同寬度的運動光條作為刺激，相對于視角 16°及以上的寬光條，窄小的刺激在該處引起的反應更強。與此不同的是，接受神經節輸入的頂蓋淺層區域缺乏對光條寬度的選擇性，提示頂蓋內的神經信息處理對于深部纖維的偏好性至關重要。頂蓋表層中有一群中間神經元表現出相反的偏好性，對于16°以上的運動光條有著更強的反應，提示這群神經元的抑制性輸入可能造就了頂蓋深部活動的選擇性。進一步，去除或抑制這些神經元的活動，可使頂蓋深部的神經活動失去選擇性，并降低了斑馬魚的捕食能力。

// 小膠質細胞對視覺功能的調節
小膠質細胞(microglia)是中樞神經系統中重要的免疫效應細胞，激活態的小膠質細胞參與一系列免疫反應及組織修復過程。目前以斑馬魚為模式動物，發現了靜息態小膠質細胞和神經元之間存在雙向的功能調節。通過對小膠質細胞形態變化和神經元活動進行長時程在體記錄，發現神經元活動升高后，小膠質細胞向神經元靠近并與其胞體形成緊密接觸，形成接觸后神經元活動降低，這兩組現象之間存在相關性。人為局部增強神經元活動，發現可以吸引小膠質細胞的突起靠攏并促進緊密接觸的形成，進而削弱被接觸神經元的自發性電活動以及視覺反應。

>> 下篇文章將詳解斑馬魚嗅覺及運動神經信號研究進展，大家敬請期待噢~

瑞沃德神經信號研究方案，涵蓋神經信號調控，在體神經信號記錄、離體神經信號記錄等多種實驗方法，從神經元單細胞、神經元群體、再到整個神經環路等不同水平，為神經科學提供系統全面的整體解決方案，助力神經環路解析及神經系統疾病機制研究的發展。

【參考文獻】

Chun-feng Shang*, Yu Mu, Jiu-lin Du*.Zebrafish Swimming into Neuroscience Research: A Visible Mind in A Transparent Brain.Scientia Sinica (2015).

Tristan Darland* and John E. Dowling. Behavioral screening for cocaine sensitivity in mutagenized zebrafish.PNAS(2001).