图片来源: Helmholtz Zentrum München
随着哺乳动物年龄的增长，它们的嗅觉会下降。近日发表在Cell Reports上的一项研究中，德国慕尼黑亥姆霍兹研究中心和美因茨大学医学中心的跨学科研究团队研究了为什么会出现这种情况。在他们的研究中，研究人员们利用所谓的“五彩纸屑记录器”（confetti reporter）追踪了小鼠大脑中干细胞的发育过程。然后他们对利用智能算法获取的复杂数据进行了分析。
在哺乳动物体内，新神经元的产生（神经形成）主要发生在儿童早期，成年之后只有前脑中的少数区域会产生新神经元。嗅觉神经元就是这样一个例外，干细胞通过几个中间阶段发育成嗅觉神经元。
研究通讯作者Carsten Marr博士解释说：“这些神经元的产生在年龄大了之后就停止了。在最近的研究中，我们想要理解这一过程的分子基础以及干细胞在这一过程中的作用。”他是亥姆霍兹研究中心计算生物学研究所(ICB)的研究团队负责人。
为了阐明这一问题，亥姆霍兹研究中心组建了一个跨学科的专家团队，包括数学家Lisa Bast和Carsten Marr，以及干细胞研究员Filippo Calzolari博士（目前在美因茨大学生理化学研究所工作）和JovicaNinkovic教授。Filippo Calzolari说：“我们利用了‘五彩纸屑记录器’进行了谱系追踪。在小鼠大脑中，我们诱导个体干细胞及其所有后代（所谓的克隆）以特定的颜色显现。”通过这种方法，科学家们可以通过不同的颜色区分克隆细胞随着时间的变化，这种技术就由此而得名。Calzolari补充说：“接下来，我们对比了年轻小鼠和老年小鼠的克隆细胞，以确定个体干细胞及中间产物对成熟嗅觉细胞的神经形成起到什么作用。”
然而，对人类来说，对这些图片进行系统分析几乎是不可能的，因为现有的数据极端多样化，使得年轻和年老的大脑难以进行比较。在这种情况下，Carsten Marr及其团队的专业知识开始发挥作用。他们是单个细胞动力学量化专家，即研究大量人口的哪些细胞以及多少细胞决定了哪些细胞的命运。研究人员们利用人工智能技术，开发出数学模型并推导出算法来帮助分析图像数据。
Lisa Bast解释说：“我们将五彩纸屑记录器测量结果与几种神经发生的数学模型进行了比较。我们发现，在老年小鼠体内，细胞的自我更新能力下降了，特别是在某些称为转运扩增祖细胞的中间阶段。”此外，该分析表明，不对称细胞分裂和干细胞静止的情况在老年小鼠体内增加。JovicaNinkovic说：“这表明在老年阶段，分化成嗅觉细胞的干细胞更少了，这些干细胞常常停留在干细胞库中且变得不那么活跃。”
这是科学家们首次能够利用数学模型对活体哺乳动物大脑中的神经干细胞行为进行量化描述的研究。
论文链接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(18)31879-5?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2211124718318795%3Fshowall%3Dtrue