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酷炫动图(十四):生物篇

本期生物动图,让我们来看看科学家们在生物试验室里发现了哪些有趣的现象。

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全自动显微注射

原理:还记得之前我们介绍过的显微注射吗?这里展示的是它的升级版。这套装置可以向卵细胞中注射少量DNA——这类操作是进行基因编辑研究的常用手段之一。除了精巧酷炫的机械装置之外,这套设备还很有创意地利用了电荷吸附法来携带DNA:利用微电路系统,首先让注射针头带上正电荷,然后就可以吸附溶液中的DNA分子(一般带负电荷)了,当注射针插入卵细胞后,再让针头带上负电荷,就可以将DNA释放到卵细胞当中。这样的设计可以有效避免传统注射法经常遇到的堵针问题。

花絮:除了显微注射DNA以外,显微操作还能做很多事情,比如说核移植。当然,这些比较复杂的操作就没法全自动了,所以像卵母细胞去核这种让强迫症患者心旷神怡的操作还是需要专业人士来完成呀。

本图片由本文作者提供

录制者:Quentin T. Aten et al

胚胎泡泡

原理:这张图展示的是人类胚胎在体外从桑椹胚(morula)发育到囊胚(blastocyst)的过程。在桑椹胚阶段,胚胎中的细胞会经历发育过程中第一次细胞分化,转变为两部分——滋养外胚层(trophectoderm)和内细胞团(inner cell mass),之后滋养外胚层会不断扩大形成一个包含着内细胞团的空腔,这个阶段称为囊胚。接着,囊胚还会发生几次扩张和收缩,最终撑破卵细胞的透明带,像破壳而出的雏鸟一样“孵化”出来,进而在子宫内着床。

花絮:你整个人都是由内细胞团演变而成的,滋养外胚层负责发育成胎盘。看着滋养外胚层奋力撑破透明带,带着内细胞团一起孵化出来,你是否感觉自己从小就被精心地呵护着呢?

录制者Connie C Wong et al

全军突击

原理:图中展示的是神经发育过程中的“神经迁移”(neuronal migration)现象。在个体发育过程中,神经细胞只能在神经嵴中特定的部位产生,但是神经网络却需要遍布全身,那该怎么办?机体的解决方法就是让神经细胞自己迁移过去。这幅动图中显示的就是大脑形成时,神经细胞向大脑皮层迁移的过程。

花絮:神经细胞的迁移方向受到各种因素调控,其中比较有趣的一种途径是先由胶质细胞(glial cell)搭桥,然后神经元再顺着这座桥“爬”过去。

图片来自:rockefeller.edu

录制者Sabrice Guerrier et al

灵光一闪

原理:图中展示的是斑马鱼幼鱼的视神经,借助于一种称为“钙成像”(Calcium imaging)的技术使其中的神经在兴奋时发出荧光。包括神经元在内的绝大多数细胞,都会将钙离子作为最重要的“信号离子”,因此可以将细胞质中钙离子的浓度作为衡量神经活跃程度的指标。现代神经科学一般会通过基因改造或者显微注射等技术将一些钙离子探针放进神经细胞中,这些探针会和钙离子相互作用产生荧光,从而很直观地展现出神经活动的强度。

花絮:钙信号在细胞中会像水波一样迅速向外扩散,这种现象被称为“钙波”(Calcium wave),许多较小的神经元和胶质细胞都会直接利用钙波来传递神经信号。尽管现在还无法将显微观测和高速摄影完美地结合起来,不过有的时候我们还是可以观测到钙信号在细胞内传播的过程。比如下图就是钙波在单个小胶质细胞当中由一端向另一端传递。

图片来自:http://smithlab.stanford.edu

录制者川上浩一

搏动的细胞

原理:图中展示的是一个搏动的心肌细胞。心肌细胞不但可以像一般的骨骼肌细胞那样舒张和收缩,而且还能互相传递细胞信号。体外培养的心肌细胞经常会出现自发搏动现象,而且同一个培养皿中心肌细胞的搏动往往还是同步的。正是因为这个原因,人类即便脑死亡以后心脏依然可以在相当长时间内维持跳动。

花絮:心肌细胞可以在没有外界刺激的情况下节律性地搏动,这种现象在所有体外培养的细胞中堪称绝无仅有,因此心肌细胞经常作为中胚层分化的指示细胞,用来衡量多能干细胞的“多能性”。也就是说,把一种多能干细胞养在常规培养基中一段时间后,如果培养皿中出现了可以发生自发搏动的细胞,那就可以认为这种多能干细胞具有分化为中胚层的潜力。

录制者British Heart Foundation

细胞红绿灯

原理:在细胞从一次分裂到下一次分裂的细胞周期当中,会阶段性地表达不同种类的蛋白质。而图中这些正在体外疯狂分裂的海拉细胞经过了基因修饰,其不同阶段表达的蛋白质带有不同颜色的荧光,从而能够直观地指示出这些细胞现在正处于细胞周期的哪个阶段中。

花絮:这种技术是来自RIKEN的日本科学家所发明的,他们将这套系统命名为“基于荧光与泛素化的细胞周期传感器”(fluorescent, ubiquitination-based cell cycle indicator)。我也不知道为啥要起这么拗口的名字,或许是为了让首字母的缩写“Fucci”听上去更有日本的感觉?

录制者Jain M  et al

幻影迷宫

原理:这是一台专为实验小鼠设计的“体感游戏机”。为了在小鼠身上研究空间导向能力,常需要让它们完成走迷宫的任务,但在实验室里很难造出真实的大型迷宫,于是科学家们就做了这样的虚拟迷宫装置。小鼠被置于一面巨大的屏幕之前,它脚下的球则类似于一个鼠标滚轮,可以不断感知小鼠的运动状态,将装置与屏幕联动,小鼠就可以在虚拟的迷宫中奔跑了。另外,这台仪器还可以同时收集小鼠大脑中的神经活动情况。

花絮:去年的诺贝尔生理或医学奖就颁给了三位神经与空间导向能力方面的研究者,还记得他们的发现吗?

录制者Christoph Schmidt-Hieber & Michael Häusser

要掉下去了

原理:这是神经科学研究中常用的“转杆实验”(Rotarod performance test)。小鼠被放置在一根缓慢转动的杆子上面,运动和平衡能力正常的小鼠可以长时间地站在杆子上(比如左边两只),而那些运动或者平衡能力有缺陷的小鼠则很快就掉下去啦(比如最右边那只)。

花絮:行为学实验是神经科学研究中最好玩,也是最能展现科学家恶趣味的实验……比如下图是强迫小鼠用单手,呃,单爪抓东西的实验 ,目的也是研究小鼠的动作协调能力。

录制者:Xi Lin et al

题图来自:http://notsohumblepie.blogspot.com/

(编辑:窗敲雨)

The End

发布于2015-05-21, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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鬼谷藏龙

神经科学博士生

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