稳态强磁场下可视化脊椎动物的神经发育和神经功能研究

With the wide clinical application of magnetic resonance imaging (MRI), people have an increasing chance to be exposed to static high magnetic field (SHMF). As the intensity of the static magnetic field used in MRI is much stronger than geomagnetic field, the potential adverse effects of SHMF receive more and more attention. Most of the previous researches are carried out under 10T or lower magnetic fields, and many concentrate on the biological effects of SHMF at individual level. Only a few study the effects on neurodevelopment and often get inconsistent results. Moreover, as MRI is frequently used in pregnancy detection, especially the detection of fetus brain in utero, it’s meaningful to study the effects of SHMF on neurodevelopment. Taking full advantage of the established visualized study of vertebrate model organism zebrafish and Xenopus, we strive to explore the effects of SHMF on embryonic development, especially on neurodevelopment and neural functions. On the context of SHMF, we would like to study the neural functions at behavioral level and elucidate the mechanisms of neural growth, synaptogenesis and neuronal regeneration at cellular level. In conclusion, besides the potential adverse effects, we also try to explore the new applications of static high magnetic field in neuroscience.

随着磁共振成像（MRI）技术在临床上的广泛应用，人类接触稳态强磁场的几率大大增加。MRI使用的稳态磁场强度远高于地磁场，因此，稳态强磁场对正常人体潜在可能的负面作用得到广泛关注。已有的研究多在小于10.0T的稳态磁场下进行，很多侧重于强磁场对生物个体水平的影响，专门研究磁场对神经系统发育和功能的不多，且结果多有争议。此外，由于MRI常用于妊娠检测，尤其是对胎儿大脑进行宫内检测，研究稳态强磁场对神经发育的影响就很有意义。利用我们已经建立的脊椎模式动物斑马鱼和非洲爪蟾可视化研究的独特优势，我们着力于探究稳态强磁场对胚胎发育，尤其是神经发育和神经功能的影响，试图在宏观的行为学层面观察稳态强磁场作用于该模式动物神经功能的效应，并进一步在微观的细胞层面上深入理解稳态强磁场对神经生长、突触发育以及神经再生的机制。总而言之，在探究稳态强磁场可能的负面影响的同时，也发掘其在神经科学领域的新应用。

现在，人们有越来越多的机会接触到远高于地磁场强度的稳态强磁场。临床进行磁共振成像检测（MRI）时，全身或身体的某些部位会暴露于强磁场中，其生物学效应值得关注。在本课题中，我们利用高场MRI检测了斑马鱼特定生理条件下的细胞内活动。并探究了稳态强磁场对斑马鱼的生物效应。.在第一部分内容中，我们与化学实验室合作，由对方负责合成具有自聚合和解聚功能的19F纳米颗粒。在两项独立的研究中，这种纳米颗粒分别在caspase3/7，或legumain的调控下发生解聚，显示出磁共振信号。在斑马鱼尾鳍损伤模型中，向斑马鱼体内注射19F纳米颗粒后，纳米颗粒首先在体内广泛存在的谷胱甘肽作用下发生聚合，磁共振信号被封闭。到达尾鳍损伤位点后，由于该部位发生大范围细胞凋亡，caspase3/7高表达，纳米颗粒受其作用发生解聚，19F的信号被仪器探测到。通过MRI，可以探测到凋亡发生的部位。.在探测legumain的研究中，实验思路与上文所述检测caspase3/7的设计相同，但是19F纳米颗粒在legumain的诱导下发生解聚。我们将高表达legumain的HEK293T细胞移植入斑马鱼体内，随后注射19F纳米颗粒。在谷胱甘肽作用下，纳米颗粒发生聚合。到达移植细胞位点时，legumain诱导纳米颗粒解聚，显示出MRI信号，展示出移植细胞的位置。由于肿瘤细胞中常常高表达legumain，这项技术提供了肿瘤探测的一种可能的方法。.研究稳态强磁场的生物效应时，我们重点关注了SMF对斑马鱼早期发育和神经功能的影响。这里我们研究了9.0T稳态强磁场对斑马鱼早期发育的影响。我们发现，0-24hpf的强磁场暴露不会影响斑马鱼胚胎的存活率。但稳态强磁场会延迟斑马鱼的发育。强磁场很可能影响斑马鱼早期卵裂的过程。此时，斑马鱼受精卵尺寸非常大，纺锤体大小达到上限，将纺锤体移动到细胞中心所需时间更长。磁场对构成纺锤体的微管产生力的作用，使分裂所需时间延长。宏观上表现为斑马鱼发育延迟。.此外我们还探究了强磁场对斑马鱼行为学的影响。经过受精后24h的SMF暴露，暴露组与对照组的眼动反应表现无明显差异。目前该部分内容尚需进一步证实和研究。