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TECHNICAL ARTICLES
更新時間：2025-12-10
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在神經(jīng)毒性測試領(lǐng)域，斑馬魚胚胎因其透明度高、發(fā)育過程清晰，已成為重要的生物模型。尤其是在發(fā)育神經(jīng)毒性（DNT）評估中，通過觀察胚胎的自發(fā)卷尾運動（Coiling Assay）來檢測化學(xué)物質(zhì)的影響，已成為一種高效的行為學(xué)檢測手段。然而，在實驗過程中一個常被忽略的問題是：這些在實驗室中被“隔離飼養(yǎng)"的小小胚胎，它們之間是否存在交流？
以往的研究大多默認(rèn)將胚胎分組飼養(yǎng)在同一個培養(yǎng)孔中。自然界中，許多卵生動物（如某些魚類、爬行動物）的胚胎之間存在機(jī)械振動、化學(xué)信號等形式的交流，以實現(xiàn)發(fā)育同步或預(yù)警危險。斑馬魚胚胎是否也存在類似的“胚胎間交流"？這種交流是否會影響其在毒性測試中的行為表現(xiàn)？本文介紹的研究給出了答案。
為了探究“社交"對行為的影響，研究團(tuán)隊設(shè)計了一套物理隔離方案：
群養(yǎng)組：將5個胚胎固定在一個24孔板的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)孔底部中心。胚胎在環(huán)內(nèi)可以自由移動、相互接觸，模擬自然“抱團(tuán)"狀態(tài)；
隔離組：使用定制的板，板上帶有5個獨立的微小凹槽，每個凹槽剛好容納一個胚胎。凹槽間的隔斷確保胚胎無法發(fā)生物理接觸，運動軌跡也獨立，實現(xiàn)了物理隔離。
Rotenone是一種天然植物毒素，常用于在斑馬魚中模擬帕金森病癥狀，其神經(jīng)毒性明確。研究選用Rotenone，實驗設(shè)置了四個濃度梯度：1.0， 10.1， 20.3 nM，以及0.1% DMSO溶劑對照。濃度范圍基于前期魚胚胎急性毒性（FET）測試結(jié)果，涵蓋了從無效應(yīng)到明顯效應(yīng)的區(qū)間。
實驗使用野生型斑馬魚胚胎。在胚胎發(fā)育的21至47小時這一關(guān)鍵窗口期，研究團(tuán)隊每小時進(jìn)行一次長達(dá)8分鐘的高清視頻錄制。這一時段覆蓋了自發(fā)卷尾的起始、高峰及逐漸向游泳行為過渡的全過程。使用斑馬魚微視行為分析系統(tǒng)（DanioScope）分析視頻。軟件通過識別胚胎尾部像素的變化，自動量化兩個核心行為參數(shù)：① 平均卷尾爆發(fā)次數(shù)/分鐘（反映運動頻率），② 平均卷尾持續(xù)時間（以秒計，反映單次運動的強(qiáng)度）。
實驗結(jié)果通過圖表清晰地揭示，胚胎的“社交生活"對其行為模式產(chǎn)生了深刻影響，甚至改變了它們對神經(jīng)毒素的反應(yīng)。
1.Rotenone的毒性在“熱鬧"的群養(yǎng)胚胎中更易顯現(xiàn)
圖1群養(yǎng)組數(shù)據(jù)顯示，在群養(yǎng)條件下，暴露于ZG濃度Rotenone（20.3 nM）的胚胎，其平均卷尾持續(xù)時間（圖1A） 和卷尾爆發(fā)頻率（圖1C） 在30小時前均出現(xiàn)顯著下降。這表明在高濃度毒素作用下，胚胎的神經(jīng)肌肉活動受到了明顯抑制。
一個意外的發(fā)現(xiàn)是：部分群養(yǎng)胚胎對毒素的反應(yīng)是過度活躍，而非抑制。這種劇烈的、無序的運動導(dǎo)致它們的運動軌跡在視頻中交叉重疊，超出了軟件的分析能力，迫使研究人員不得不將這些“無法追蹤"的個體數(shù)據(jù)排除（圖1中紅色方框標(biāo)出的時間段）。這本身暗示了在社交環(huán)境中，胚胎對毒素的反應(yīng)模式可能更多樣、更復(fù)雜。
隔離飼養(yǎng)：一個“安靜"且反應(yīng)遲鈍的世界
與群養(yǎng)組形成鮮明對比的是圖3（隔離組數(shù)據(jù)）。在物理隔離的條件下，即使暴露于相同濃度的Rotenone，胚胎的卷尾持續(xù)時間（圖2A） 和頻率（圖2C） 曲線與溶劑對照組幾乎重疊，未表現(xiàn)出任何統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異。
這揭示了一個重要結(jié)論：隔離飼養(yǎng)的環(huán)境本身，就像為胚胎提供了一個“緩沖墊"，削弱或掩蓋了Rotenone本應(yīng)引發(fā)的行為毒性。當(dāng)胚胎獨處時，它們對神經(jīng)毒素的敏感度似乎降低了。
即使沒有毒素，行為也已不同
令人驚訝的發(fā)現(xiàn)來自對照組的直接比較（圖3）。即使雙方都未接觸任何毒素，僅僅因為飼養(yǎng)方式不同，它們的行為發(fā)育軌跡就出現(xiàn)了顯著分歧：行為發(fā)育曲線差異，即隔離飼養(yǎng)的胚胎在發(fā)育早期（約24小時）缺失了群養(yǎng)組中普遍存在的“初始活動高峰"（圖3B）。這個高峰被認(rèn)為是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中不同神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)開始整合并驅(qū)動協(xié)調(diào)運動的關(guān)鍵標(biāo)志。
活動水平整體偏低：在整個觀測前期，隔離胚胎的卷尾頻率顯著低于群養(yǎng)胚胎（圖3B）。這意味著，沒有同伴的刺激，胚胎的自發(fā)運動發(fā)育似乎啟動得更慢、更“慵懶"。
后期“追趕"現(xiàn)象：直到發(fā)育后期（約32小時后），隔離胚胎的卷尾持續(xù)時間才逐漸追上并超過群養(yǎng)胚胎（圖3A），這可能是一種代償性或延遲的發(fā)育模式。
黑暗中的反應(yīng)：社交環(huán)境調(diào)節(jié)應(yīng)激響應(yīng)
圖4進(jìn)一步分析了胚胎在光照突變（37.5 hpf時由亮轉(zhuǎn)暗）這一應(yīng)激刺激下的行為變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在群養(yǎng)組中，溶劑對照和低濃度Rotenone組在變暗后活動顯著增加。而在隔離組中，只有較高濃度Rotenone暴露的個體才對黑暗刺激表現(xiàn)出明顯的頻率增加。這表明，社交環(huán)境（群養(yǎng)）能增強(qiáng)胚胎對輕度環(huán)境刺激（如黑暗）的反應(yīng)性，而隔離環(huán)境則可能使胚胎僅對更強(qiáng)的刺激（如高濃度毒素疊加黑暗）產(chǎn)生反應(yīng)。
本文介紹的研究揭示了一個重要卻常被忽視的事實：即使是胚胎階段的斑馬魚，其行為也受到社交環(huán)境的顯著影響。在評估神經(jīng)毒性時，飼養(yǎng)條件可能成為一個“隱藏變量"，干擾數(shù)據(jù)的解讀與化學(xué)物質(zhì)毒性的真實判斷。這項研究提醒我們：生命從來不是孤立的實驗單元，社交與環(huán)境交織成的網(wǎng)絡(luò)，深深影響著個體對壓力的反應(yīng)——即使這個個體，只是一個尚未孵化的斑馬魚胚胎。
von Hellfeld, Rebecca, et al. “Rearing conditions (isolated versus group rearing) affect rotenone-induced changes in the behavior of zebrafish (Danio rerio) embryos in the coiling assay." Environmental Science and Pollution Research 31.43 (2024): 55624-55635.
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