光遗传学如何用于研究斑马鱼幼体的应激反应

光遗传学——使神经元对光的激活敏感——是解开大脑在生物过程和行为中的功能的一个伟大工具。最近的一项研究Rodrigo J. De Marco和他的同事利用光遗传学技术来揭示垂体在斑马鱼幼体应激后行为中的作用。

压力

如今，“压力”经常被视为一个不好的词，但当然，压力反应也有它的好处。在进化上，它对适应和生存至关重要。

在人类中，HPA轴(下丘脑-垂体腺-肾上腺)和一些神经递质和激素组成了应激系统，其中大部分已经被广泛研究过。然而，压力反应是一种非常快速的现象，这使得对某些方面的详细研究变得困难，比如在压力开始后，脑垂体在调节行为方面的作用。这就是Rodrigo De Marco和他的同事想要解开。

组织严密

压力反应是一个非常紧密的系统。在这项研究中，研究人员关注的是脑垂体，特别是这种腺体中的细胞称为corticotrophs．

促肾上腺皮质激素释放几种活性分子，包括ACTH(促肾上腺皮质激素)，随后肾上腺皮质迅速释放皮质醇。在荷尔蒙方面，这个周期定义了应激反应。

完美的模型

德马尔科认为，在这种情况下，斑马鱼是极好的模型对象:“这就是所有这一切的意义:利用一个独特的机会(幼虫很小，透明，有一个功能完备的应力轴)——‘非侵入性’——提出重要的问题。例如，脑垂体产品能否对行为产生快速影响?”

此外，它们的HPI(下丘脑-垂体腺-肾间腺)轴与人类的HPA轴同源。

让那里有光

为了研究皮质营养物的作用，研究人员在这项研究中对斑马鱼进行了基因操作，使它们的皮质营养物对蓝光的光遗传激活敏感。这些鱼被称为bPAC+幼虫。

光是斑马鱼已知的应激源，所以为了控制蓝光的光遗传激活，研究人员还使用了黄光。

除bPAC+幼虫外，对光遗传激活不敏感的兄弟姐妹(bPAC-幼虫)也进行了检测。

所有幼虫对黄光都表现出应激反应。当暴露在蓝光下时，bPAC+幼虫表现出了一种放大的应激反应，与它们的bPAC-兄弟姐妹相比，并与黄色光环境相比。

评估行为和控制光线

为了评估斑马鱼的行为，用EthoVision XT视频跟踪软件进行了视频记录。同一台计算机通过TTL控制(USB-IO盒)控制光线和其他刺激。德马科说:“这一切的中心是一个复杂的定制设置EthoVision XT发挥着非常重要的作用。”

---

---

光和压力

结果表明，将适应黑暗的幼虫短暂暴露在蓝色或黄色的光脉冲下会造成压力，这是由运动行为和皮质醇释放决定的。此外，通过暴露在蓝光下，激活bPAC+组斑马鱼的促皮质激素，导致对压力的更高的体液反应。

依赖于光功率的行为

进一步的实验表明，在bPAC+幼虫中，压力源介导的运动反应和皮质醇释放量都与蓝光的强度呈正相关。

高温和舒缓的海浪

那么压力是如何影响斑马鱼的行为的呢?为了找到答案，研究人员将斑马鱼幼虫暴露在其他刺激下。没有压力的幼虫通过增加运动来应对温度的显著上升，而细微的水动力学(水运动)似乎能安抚它们，使它们移动得更少。被施加压力的动物(在测试前只暴露在光下几分钟)表现出了夸张的反应，这种效应在被蓝光施加压力的bPAC+动物中甚至更大。

压力越大越好?

在这项研究中，研究人员能够找到一种非侵入性影响应激系统的方法，即在应激开始时直接增强促肾上腺皮质激素产物的释放。

此外，他们甚至能够控制效果的大小，因为更高的蓝光功率会导致更高的皮质醇上升。德马科补充道:“总的来说，结果表明，在压力开始时，垂体促皮质激素活性的增强可以对行为产生快速的组织效应，即增加运动和回避反应、容忍和唤醒。”

阅读更多

本帖指下列出版物:

德马科,效力;Thiemann t;Groneberg A.H.;Herget,美国;Ryu,美国(2016年)。光基因增强的垂体促皮质激素细胞活动应激后发作引起行为的快速组织效应。自然通讯，7: 12620．

阅读更多关于EthoVision XT约硬件控制与EthoVision XT。
阅读相结合光遗传学与DanioVision用于斑马鱼幼体研究。