WHOLISTIC 讓科學家看見活體斑馬魚的全身細胞訊號

生理反應從來不是單一器官各自為政：神經活動、血液循環、消化與感覺反應往往會同步改變。不過，許多活體影像技術通常只能看一種組織或一個器官。

Janelia 研究園區開發的 WHOLISTIC，全名為「用於記錄組織與細胞內活動的全生物體活體影像系統」（WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity），試圖補上這個缺口。它以透明的幼年斑馬魚為模型，結合高速三維螢光影像、基因編碼鈣感測器與運算分析，在秒級時間尺度記錄全身多種細胞的動態活動。2

WHOLISTIC 怎麼運作？

研究使用幼年斑馬魚（Danio rerio）。牠們身體透明，讓研究人員可透過光學方式觀察內部組織。魚體內廣泛表達鈣感測器；細胞內鈣離子濃度改變會帶來螢光變化，因此可作為細胞狀態變化的讀出訊號。

但這項指標有重要限制：鈣離子影像能反映細胞活動彼此的時間關聯，並不能直接量到突觸連結，也不能單靠影像證明某一細胞「造成」另一細胞反應。2

WHOLISTIC 的核心整合包括：

• 三維體積螢光顯微鏡：反覆擷取整隻動物的三維影像，而非只看單一焦平面。2
• 全細胞型鈣感測標記：觀察範圍不只限於神經元，也涵蓋不同細胞類型與器官系統。2
• 運算處理與機器學習：協助從龐大資料中辨識具有活動訊號的細胞結構，並整理出可分析的模式。2

這帶來的轉變不只是儀器變快，而是研究角度擴大：科學家能在同一場實驗裡，把全身活動當成一套協同運作的系統，尋找器官之間值得後續驗證的連結。2

從全身影像看見了什麼？

缺氧時，血流重新分配

在低氧環境下，WHOLISTIC 顯示出與循環變化同步的協調活動，包括血流重新導向。Janelia 的 WHOLISTIC 展示資料指出，缺氧時腸繫膜區域的血流減少，而流向腦部與心臟的血流增加。8

這類觀察讓研究者得以在同一隻動物中，同時連結神經與心血管反應。結果支持一種合理解讀：全身協調反應可能優先把氧氣輸送給重要器官；至於背後精確的因果神經迴路，仍須靠針對性的後續實驗確認。28

脊髓與室管膜細胞的協調動態

這個平台也捕捉到脊髓與室管膜細胞的協調活動。室管膜細胞位於腦室系統表面，相關發現提醒研究者，生理活動圖譜不應只以神經元為中心。2

研究結果可用來提出新假設：與特定狀態連動的室管膜細胞活動，可能與睡眠相關生理有關；但鈣訊號相關性本身尚不足以證明它們具有睡眠功能。WHOLISTIC 的價值正在於先從全身資料找出候選現象，再以更精準的干預實驗測試。2

氯胺酮跨越組織邊界的作用

藥物反應不一定只發生在單一細胞類型或解剖區域。研究人員利用 WHOLISTIC 觀察急性氯胺酮暴露，發現其影響涉及神經組織與腦膜。2

這說明了全身量測的實際意義：若影像只聚焦神經元，可能會漏掉鄰近非神經組織的反應。將不同組織放入同一實驗畫面，有助於看見這類跨組織效應。2

對低溫有反應的軟骨相關細胞

降溫實驗還發現，軟骨相關細胞出現鈣離子反應。這暗示與溫度相關的活動不必然侷限於神經系統，也展現廣泛細胞影像如何發掘非神經組織可能參與感覺功能的線索。2

為什麼這項技術重要？

斑馬魚的全腦影像研究早已證明，透明脊椎動物可以支援大規模神經活動記錄；2013 年的工作便已能同步量測整個斑馬魚大腦的神經活動。5 WHOLISTIC 則把這個概念延伸到身體其餘部分，讓多個器官系統與細胞類型得以同步觀察。25

這尤其適合處理跨系統問題，例如大腦如何在壓力下協調循環、藥物如何同時影響神經與非神經組織，或傳統神經路徑之外的感覺訊號如何呈現。它不是一張完整的因果關係地圖，而是一張能找出「哪些關係值得驗證」的全身活動地圖。2

下一步：走向成體小魚模型

WHOLISTIC 網站提供包括缺氧血流重分配在內的結果視覺化資料，呈現顯微技術與運算分析在全身尺度上的應用。8

這個方向也可能延伸至其他魚類模型。Danionella 成魚仍十分微小，因此有機會對較成熟大腦進行全腦神經活動記錄，研究比幼魚更豐富的行為表現。11 另外，Janelia 已指出，其全身膨脹顯微鏡流程也可用於成熟的 Danionella 樣本。4

最關鍵的提醒仍是：鈣離子影像揭示的是彼此相關的細胞動態，而非直接連結、完整分子機制或確定的因果關係。WHOLISTIC 的強項，在於讓研究人員首次能在活體脊椎動物的全身尺度上，看見並提出可檢驗的跨器官生理假設。2