斑马鱼行为研究:以典型对象测试和毒理测试为手段,探索黑暗森林法则

发表时间: 2022-03-10 15:05


五哥总看到市面上很多研究机构、医院和高校在购买斑马鱼行为分析设备,那么到底这些设备究竟是干什么用的?


首先,就像研究人的行为一样,必须得有个摄像机的,用摄像机把所有发生的行为记录下来,才好后续去进行研究。


在研究过程中,也会有很多的研究模式。


所谓的开阔地测试(Open field test),也有人叫做广场测试,就是要把斑马鱼放到一个固定大小的鱼缸里面,让鱼在鱼缸里面自由地游动,整个过程是定时的,然后用摄像机记录下鱼的运动轨迹。分析仪器会据此计算出很多数据,包括鱼在中央区和鱼缸外壁区所逗留的时间,一条鱼的平均游动速度和游动的总长度,这些数据通常都会被应用到后续的一些研究当中,用来表达某种状态,比如说鱼的活性等。



上面的测试方法,通常记录的视角是从上向下的,再换一种视角,比如从两侧来观察鱼缸,又能记录下鱼从最底层游到中层,最后游到高层。这次获得的数据又能作为测试不同鱼种对于水层的选择喜好。


还有一种测试叫做典型对象测试(Novel object test)。测试原理很简单,就是在鱼缸中放置不同的对象,然后观察斑马鱼对这些对象的反应,比如在鱼缸的一侧放入一块橘红色的方块,或者在某个区域投进去一个防水的喇叭播放重金属音乐,或者是在鱼缸的某处抹上一点辣椒酱等等。这种实验的目的就比较开放了,通常就是为了测试斑马鱼对于外界环境尤其是物体的反应程度。所有的记录都可能通过鱼的游动速度、距离、轨迹来记录,应该能够判断出斑马鱼对某种事物的喜好和厌恶,所以这是在实验室进行得比较多的一个实验种类。


社交测试也是一项非常重要的测试。具体的原理是,在一个十字形的玻璃槽中放入两条鱼,一条鱼放置在十字形的中心,另一条鱼随机放在四条边的某个顶端,然后观察鱼的行动轨迹,记录两条鱼重叠的路线,靠近的程度。这种测试也可以用于在不同的鱼种之间,可以看出来哪类鱼更愿意社交,哪类鱼只喜好独居。


光线和噪音测试也是比较多的测试类型,主要用于测试斑马鱼对于这两种外界刺激的反应。


然而,最有意思的测试还得说是迷宫测试。测试的原理很简单,那就是在两个鱼缸之间安排一个迷宫,在一侧鱼缸内放置食物,诱因鱼从一侧鱼缸进入迷宫寻找食物。在开启测试后,记录鱼成功找到食物的时间,以考察相同鱼类不同个体,或者不同鱼类之间的记忆能力。


当然,五哥不忍提及的是,斑马鱼行为测试也被包含在毒理测试之中。


众所周知,一些精神治疗药物或者一些特殊的固体、气体都会引发人类的不同行为,比如说笑气一氧化二氮。应用斑马鱼行为测试,可以检测出一些有害物质对水质和水生动物的影响。


其实这种测试也是比较简单的,比如说让斑马鱼在添加了杀虫剂的水质中进行常规的交配、繁殖、胚胎发育、生长等,全程记录斑马鱼的行为,并且与在正常水质中生活的斑马鱼的生活行为进行对比,由此发现有害物质所带来的影响。


实际上,也同人在陌生的森林中一样,斑马鱼最多的两项行为就是搜寻和伏击。这两种行为表现最大的差异在于两个方面,一个是活动的距离,另外一个是游动的姿势。


因为斑马鱼胚胎大脑的高度透明性,人们甚至能够从更深层的维度来研究行为发生与神经细胞状态之间的关系。人们通过显微镜可以清晰地数出来参与某种行为的神经细胞的数量,甚至可以定位每个细胞的运动情况,这就为用细胞描述行为奠定了基础。


这样做有更深的意义,那就是实现人为地控制斑马鱼的行为,因为只要知道是哪些神经细胞,做出那些动作,导致了斑马鱼的相关行为,就可以了,所有的这一系列过程,可以通过编程的方式形成指令,用来指导斑马鱼去持续不断地进行某个行为。


可视化的行为测试,通常也会与深度的器官,甚至细胞级别的荧光标记结合起来,形成一种更为立体的研究体系。


比如近期科学家对于斑马鱼记忆过程的研究,就是通过让斑马鱼接受声光刺激,然后记录脑神经元的运动状态来进行的。这是一种内外兼修的行为测试模式,其意义和结论的使用范畴将被扩大。


这也是一种显而易见的优势,因为没有人看得见记忆是怎么实现的,但记忆却是每时每刻在人类或者是在其他动物体内都在发生着的。斑马鱼胚胎的透明性帮助科学家颠覆了对传统记忆过程的认知,他们认为记忆也许存在更多的形式,包括此前学术界普遍认可的神经元轴突的连接,也包括最新发现的,只是神经元重组固化的结果。


在3月9日那一天,五哥听到一个令人沉痛的消息,那就是全球首个接受猪心脏移植的病患逝去了。那么五哥想到的是,为什么医生不使用斑马鱼先对猪心脏的耐受情况进行一些测试呢?也许,当医生为供体猪进行基因编辑后,比如敲掉引发免疫排斥反应的基因和一个会导致心脏组织过度生长的猪基因,或许已经让整个移植过程的成功几率提升了很多,但从现在的结果来看,应该还有一些需要敲掉或者替换的基因没有得到应该得到的处理,所以在进行最后的移植手术前,使用斑马鱼或者其他模式生物,有望能够助力找到其他还没有处理的基因,这很重要,虽然耗时会过长。当然,也许这次移植项目面临了一些极端性的条件,比如说病人自身生命体征情况,手术资源的预定情况等,这会影响最终的结果。



基因编辑实际上与斑马鱼的相关研究总是紧密捆绑在一起的。在大概3年前,科学家进行了对炎症性肠病的病理研究,其中涉及到两个场景,即体内场景和体外场景。体内场景是通过基因编辑获得容易患有炎症性肠病的斑马鱼,体外场景是从患病斑马鱼身体中提取出致病基因用于体外抑制环境下的研究。这两种场景在此后都会大规模地被采用,尤其是作为炎症性肠病治疗药物的筛选。


对于斑马鱼的行为研究,还有很多的案例。极大多数案例都是与人类有关系的,人们从斑马鱼的行为展现中,摸索出人类的行为展现规律,然后再施加各种可能性测试。在更早以前五哥曾经听说,斑马鱼会被置身于存在海洛因的水质中,用以观察斑马鱼在沾染毒品后呈现出的行为。没错!就是等于让斑马鱼吸食毒品,染上毒瘾。但这当然不是最终的目的,科学家会继续观察是否存在可能性的药品可以帮助斑马鱼戒掉毒品,恢复健康,这些优势似乎也是线虫、草履虫、大肠杆菌、果蝇、酵母等其他模式生物所不具备的。如果您非要跟我强调这鱼没有肺和乳房啊,那五哥也真的无话可说。


五哥只是希望,让大家都能知道这种为了人类健康而献身或者正在献身的可爱的小鱼。五哥听说很早前有一个科研团队的成员在每次介绍相关研究成果的时候,都习惯性地加上一页专为感谢斑马鱼贡献而做的PPT。


好!五哥也在此做一次:致敬斑马鱼!




有关生幻五哥斑马鱼专栏

五哥是从2021年开始关注斑马鱼的,当第一次接触到这种小鱼后,就被它精灵一般的身材,普世一般的研究价值,以及顽强的生命力所深深震撼。五哥认为这是一种伟大的鱼类,值得被人们歌颂和传唱,所以五哥愿意成为国内千百个传颂者的一员,不断地学习它,研究它,解释它,传播它,让更多的人喜欢它、关注它,并且加入到这种全新的、极有意义的事情上来。因此,五哥也在今日头条上专门建立了这样的一个专栏,欢迎更多有识之士跟五哥一同探讨,也欢迎各位朋友关注这个专栏,有什么想了解的话题也可以直接在今日头条上私信五哥。当然,五哥也不是神马专家,五哥也只是一名斑马鱼初级的小粉丝,所有的探讨都是和大家一起交流学习的过程。