雖然病毒通常與疾病有關，但並非所有病毒都有害或致病。 有些病毒在治療和疫苗接種中起著重要作用。 在科學研究中，病毒經常被用來感染某些細胞，對它們進行基因改造，或觀察生物體中樞神經系統（CNS）–由大腦、脊髓和神經組成的指揮中心–中的神經元。

非洲爪蟾在ISTA 科學服務單位的水生設施中繁殖。 圖片來源：© Peter Rigaud / ISTA

研究人員開發出一種利用病毒追蹤青蛙神經元發育的方法，揭示了脊椎動物神經系統的演化過程，並提供了與哺乳動物進行比較的見解。

這個突出顯示過程現已成功應用於兩棲動物，這對了解四足動物–四肢動物（包括人類）的大腦和脊髓至關重要。 由奧地利科技研究所（ISTA）斯威尼實驗室和哥倫比亞大學托切斯實驗室聯合領導的國際EDGE聯盟的一項新研究表明了這一點。

研究人員利用腺相關病毒（AAV）追蹤青蛙神經系統的整個變態過程–從早期蝌蚪階段到成年形態的發育過渡。 這項突破性研究最近發表在《發育細胞》（Developmental Cell）上，有助於將兩棲類神經生物學帶入一個新時代。

青蛙前腦冠狀切片，顯示AAV 介導的神經元標記。 AAV 感染的細胞為綠色；細胞核為藍色。 比例尺為400 µm。 圖片來源：© Developmental Cell / Jaeger， Vijatovic， Deryckere， et al.

David Vijatovic 和Lora Sweeney 走進一個裝滿水的實驗室。 維賈托維奇輕敲其中一個水箱。 裡面出現了一隻綠褐色斑駁的非洲爪蟾（Xenopus laevis）。 它的四肢突出，優雅地操縱和抓緊周圍的環境。 在另一個水箱裡，蝌蚪正用簡單的游泳動作遊來游去。 想想看，一個動作轉變成另一個動作是多麼了不起。

“蛙會發生變態，”斯威尼說，”這使它們成為研究兩種運動模式–游泳和行走–之間過渡的絕佳模式生物。蛙的發育時間跨度為12 到16 週，因此科學家有時間對每個階段進行研究。個階段，我們可以研究這些運動行為以及神經系統的潛在變化。

生物體的神經系統被稱為神經迴路，因為它類似於電路。 “神經細胞（神經元）與其他神經元相連，傳遞電子訊息。我們的行為方式、我們的感知以及我們與世界的互動方式，都是神經元在這些迴路中相互交流的產物，”斯威尼解釋道。 關鍵在於電路是如何連接的。 我們知道神經元是相連的，但哪個神經元與哪個神經元相連？ 單一細胞與其他哪些細胞對話，又傳達了哪些訊息？ “

奧地利科技研究所（ISTA）斯維尼小組的研究作者。 由左至右Georgiy Ivanian、David Vijatovic 和Lora Sweeney。 圖片來源：© ISTA

為了進一步了解這種線路，研究人員一直在使用病毒，事實證明病毒是一種強大的工具。 腺相關病毒（AAV）是這方面的理想選擇。 它們不具致病性，可以感染包括神經元在內的多種細胞類型。 AAV 經改良後可在顯微鏡下發出明亮的綠色螢光，無論是逆行（向後，從突觸向細胞體）或順行（向前，從細胞體向突觸），AAV 都能沿著神經元移動。

“這是神經科學中常用的技術，尤其是在小鼠等研究較多的生物體中。”維亞托維奇說：” 對於兩棲動物來說，人們認為無法做到這一點。 直到現在，人們還普遍這麼認為。

為了讓AAV標記在兩棲動物身上發揮作用，斯威尼和維亞托維奇與來自哥倫比亞大學瑪麗亞-托切斯研究小組的國際科學家團隊聯手合作。 研究小組還包括來自特拉維夫大學、猶他大學、史克里普斯研究所和加州理工學院的研究人員。 研究人員集思廣益，相互借鑒專業知識，參觀會議，進行了無數次”變焦”通話，並提出了不同的觀點和想法。

發育中的神經元青蛙中腦的冠狀切片顯示，AAV 標記也能捕捉到注射時正在發育的神經元群。 AAV 感染細胞，綠色；出生日期細胞，洋紅色；細胞核，藍色。 比例尺，400 微米。 圖片來源：© Developmental Cell / Jaeger， Vijatovic， Deryckere， et al.

他們對現有的AAV 進行了篩選，以找到適合兩棲動物的AAV，並優化了感染策略，最終為青蛙和蠑螈編寫了一份”操作指南”。 維賈托維奇總結了他的博士歷程：” 我們從幼小的蝌蚪開始，到較大的蝌蚪，最後到幼蛙、成蛙和成年蠑螈。我們為每個生命階段量身定制了工具。 “

利用這項新技術，科學家成功地應用AAV追蹤了兩棲動物體內的神經元連結。 這將有助於他們進一步了解兩棲動物的大腦與哺乳動物的大腦有何不同。 除此之外，新方法也為進一步分析神經元發育打開了大門。 利用篩選出的一些AAV 變體，研究人員可以在電路發育過程中的特定時間點標記祖細胞，並追蹤觀察它們變成了什麼神經元。斯威尼說：”這樣，我們就能透過整個迴路的發育過程來解析它，了解它是如何隨時間變化的，以及整個神經系統是如何構建的。”

雖然兩棲類和哺乳動物的共同祖先是在大約3.6 億年前，但它們有著共同的特徵。斯威尼繼續說：”透過比較青蛙神經系統和人類神經系統的細節，我們可以看到哪些是我們沒有的，哪些是我們擁有的。這些知識可以幫助我們理解人類神經系統是如何隨著時間而存在的推移而變得特化的。

編譯自/ ScitechDaily