WHOLISTIC 令科學家首度「睇住」活體斑馬魚全身細胞訊號

身體運作從來唔係各個器官各自為政：神經活動、血液循環、消化同感官反應往往會一齊改變。不過，以往活體成像好多時只能集中望住一種組織或一個器官。

HHMI Janelia 開發嘅 WHOLISTIC，全名係 WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity，正正想填補呢個空缺。研究團隊利用透明嘅幼年斑馬魚（Danio rerio），將高速三維螢光成像、基因編碼鈣離子感測器同運算分析結合，喺秒級時間尺度記錄全身各類細胞隨時間變化嘅活動。2

WHOLISTIC 點樣運作？

幼年斑馬魚身體透明，令光學儀器可以望到體內組織。魚隻廣泛表達鈣離子感測器：細胞內鈣離子狀態改變時，螢光會隨之轉變，成為觀察細胞狀態變化嘅訊號。

要留意，鈣離子活動係一個有用嘅間接指標，但唔等於直接量度神經突觸連接，亦唔可以單靠佢證明某一個細胞令另一個細胞產生反應。2

WHOLISTIC 嘅核心係一套整合流程：

• 三維體積螢光成像：反覆拍攝整條魚嘅立體影像，而唔係只影一個平面。2
• 全細胞鈣離子標記：研究人員唔只睇神經元，仲可以同時觀察不同細胞類型同器官系統。2
• 運算處理同機器學習：協助辨認有活動嘅細胞結構，並將龐大錄影資料歸納成較易解讀嘅模式。2

最大轉變唔單止係影得更廣，而係令研究人員可以喺同一次實驗內，將全身當成一個協調系統去睇，從而找出值得再驗證嘅跨器官關聯。2

全身同步觀察見到咩？

缺氧時，血流重新分配

喺低氧環境下，WHOLISTIC 捕捉到與循環調節有關嘅協調活動，包括血流改道。Janelia 嘅 WHOLISTIC 圖庫展示，缺氧時腸繫膜區域血流減少，而流向腦部同心臟嘅血流增加。8

呢種同步觀察，令神經反應同心血管反應可以放喺同一個活體樣本中理解。結果支持一個合理方向：身體可能透過協調反應，優先向重要器官供氧；但具體由邊條神經迴路主導，仍然要靠針對性實驗去驗證。28

脊髓與室管膜細胞嘅協調動態

平台亦辨認到脊髓同室管膜細胞嘅協調活動。室管膜細胞排列喺腦室系統內壁，呢些結果提醒研究人員，值得留意嘅活動模式未必只存在於傳統以神經元為中心嘅地圖之中。2

研究提出，與狀態相關嘅室管膜細胞活動或許同睡眠相關生理有關，但目前只屬可供驗證嘅假說；單靠鈣離子訊號相關性，未能證實佢有睡眠功能。WHOLISTIC 嘅價值在於先由全身數據找出候選關係，再用更精準嘅干預實驗測試。2

氯胺酮效應唔只限於神經組織

藥物反應可以同時牽涉多種細胞同解剖區域。研究人員以 WHOLISTIC 觀察急性氯胺酮暴露，發現效應涉及神經組織同腦膜。2

呢個例子說明，如果量度只鎖定神經元，就可能會漏咗鄰近非神經組織嘅反應。全身成像可將跨組織邊界嘅變化，一次過呈現出嚟。2

與軟骨相關細胞對低溫有反應

降溫實驗亦顯示，與軟骨相關嘅細胞會出現鈣離子反應。呢個發現表示溫度相關活動未必只屬於神經系統，亦展示咗廣泛細胞成像點樣可以揭示非神經組織意想不到嘅候選感覺功能。2

點解呢個技術值得留意？

WHOLISTIC 將斑馬魚「全腦成像」嘅概念推展至全身。早喺 2013 年，研究人員已經用斑馬魚同步記錄整個腦部嘅神經活動；WHOLISTIC 則將視野擴展至多個器官系統及細胞類型。52

對於涉及多個系統嘅問題，呢種方法尤其有用：例如大腦點樣喺壓力下協調循環、藥物如何同時影響神經與非神經組織，或者感覺訊號如何出現喺傳統神經路徑以外。佢唔係宣稱已經畫出完整因果圖譜，而係建立一幅全身活動地圖，指出邊啲關係最值得跟進。2

由幼年斑馬魚延伸出去

Janelia 將相關工作定位為結合先進顯微鏡技術與運算分析嘅研究資源，WHOLISTIC 網站亦提供包括缺氧血流改道在內嘅結果視覺化內容。28

長遠而言，Danionella 魚亦值得關注。呢種魚即使成年仍然非常細小，令研究人員有機會記錄較成熟大腦嘅整體神經活動，從而研究更豐富嘅行為模式。11 另外，Janelia 指其全身膨脹顯微鏡流程亦可用於成熟 Danionella 樣本。4

最重要嘅限制始終要講清楚：鈣離子成像揭示嘅係彼此相關嘅細胞動態，唔能夠單獨證實直接連接、所有分子機制或因果關係。WHOLISTIC 真正嘅突破，在於令研究人員首次可以喺活體脊椎動物中，以原本難以達到嘅全身尺度，看見並提出跨器官生理假說。2