斑馬魚行為與神經遺傳學手冊

本書全彩印刷，是由加拿大多倫大大學Robert T. Gelai教授主編的“斑馬魚模式生物研究”主題專著。本書一方面強調了斑馬魚具有很多出色的特性使其成為神經科學研究的有用物種；另一方面也強調了斑馬魚作為除小鼠之外的另一種重要模式生物，能進一步提高生物醫學研究的人體轉化相關性，尤其在幫助研究者更好地了解人類大腦的功能和功能障礙方面具有無可比擬的優勢。

譯者的話
《斑馬魚行為與神經遺傳學手冊》是加拿大學者Robert T. Gerlai主編的有關“斑馬魚模式生物研究”主題的專著。該書一方面強調了斑馬魚具有的很多出色的特性使其成為神經科學研究的有用物種；另一方面也強調了斑馬魚作為除小鼠之外的另一種重要的模式生物，能進一步提高生物醫學研究的人體轉化相關性，尤其在幫助研究者更好地了解人類大腦的功能和功能障礙方面具有無可比擬的優勢。全書共分為六個部分。第一部分簡要介紹了斑馬魚，并討論了有關該物種的自然生態和行為學以及斑馬魚的飼養和繁殖方法等問題。第二部分和第三部分分別介紹了斑馬魚仔魚和成魚的行為，包括知覺系統、運動功能、動機，以及一些復雜的行為，包括社會行為、睡眠行為、攻擊性和反捕食行為以及學習和記憶的不同形式和方面等。第四部分介紹了一些為斑馬魚開發或采用的現代重組DNA方法，包括轉基因報告基因系統和CRISPR/Cas9系統等。第五部分為對上述討論的主題進行總結，并綜述了如何利用斑馬魚模擬和研究人類的不同中樞神經系統疾病和問題，包括乙醇濫用相關疾病、帕金森病、癲癇、衰老和睡眠障礙、自閉癥和沖動行為等。第六部分介紹了數據收集和生物信息學相關的主題，包括如何設計和進行高通量行為篩選、采用什么軟件工具進行行為測試、如何利用生物信息學資源進行遺傳分析以及斑馬魚大腦解剖結構探索等。
本書系統介紹了斑馬魚作為模式生物的行為和神經遺傳學相關的最新研究方法和最新概念，描述了斑馬魚仔魚和成魚的神經行為，提供了如何將這些行為方法用于斑馬魚疾病模型的大量實例，討論了與斑馬魚神經行為遺傳學相關的生物信息學和“大數據”相關問題，展示了斑馬魚在轉化醫學方面的優勢與應用前景，該書所提供的多種疾病模型也可為了解人類疾病的發生、發展及其分子機制等提供良好的參考。
國內尚未見有關斑馬魚的行為和神經遺傳學系統研究方面的論著。本書的編著者均為各自領域的專家，他們來自世界著名的科研機構和大學，他們從事斑馬魚模式生物研究工作并搜集了大量關于斑馬魚的行為和神經遺傳學研究的相關資料。本書是讀者全面系統了解斑馬魚在生物醫學轉化研究方面的進展情況的綜合性參考資料。因此，本書對從事神經行為學、神經生物學、神經藥理學、臨床醫學及相關專業的科學研究人員等具有較大的參考價值，并可作為研究生教學參考書。
本書由中國人民解放軍軍事科學院防化研究院相關研究人員負責翻譯。李麗琴研究員擔任主譯，石童副研究員擔任副主譯。王陳博士、石晶晶博士、朱思慶博士、劉東鑫碩士、劉占彪碩士、劉艷麗博士、李海蕓博士、吳方暉博士、宋云揚博士、宋良才碩士、張毅博士、張瑞華博士、陳學軍博士、宗星星博士、趙麗博士（首都醫科大學）、郭煊君碩士、曹念念碩士、靳倩博士分別對有關章節進行了翻譯和審校。在此，對所有參與翻譯和審校的工作人員表示最誠摯的謝意！ 
由于水平有限，疏漏難免，請讀者批評指正！

譯者  
2023年9月




原版前言：行為與神經遺傳學中的斑馬魚
美國總統喬治·布什（George H. W. Bush）的總統公告（#6158）宣稱：20世紀的最后10年為“大腦十年”，旨在“提升公眾對于從大腦研究所獲益處的認識”（https：//www.loc.gov/loc/brain/proclaim.html）。進入21世紀后仍延續了這一主題。2013年，美國總統奧巴馬（Barack H. Obama）宣布啟動BRAIN（通過推進創新神經技術進行大腦研究）計劃（https：//obamawhitehouse.archives.gov/BRAIN），其目標是“徹底改變我們對人類大腦的理解”，政府機構【包括美國國家衛生研究院（NIH）https：//braininitiative.nih.gov/】和私營企業都已經參與其中。大腦作為我們身體中最復雜的器官，作為科學研究的最前沿，長期以來使得政治家和工作者們為之著迷。在全球范圍內已有數億美元的資金被用于大腦研究，我們對大腦的認識也隨著研究的拓展而迅速增長，包括宏觀結構、微觀結構、連接組、生理學、細胞生物學、突觸功能，以及該極具吸引力的器官的分子生物學和生物化學等方面。其中一些研究并不是直接針對人類進行的，而是針對科學家們認為與人類相似的實驗室生物進行的。在21世紀大多數實驗室的神經科學研究都是采用單一的生物模型小白鼠（Mus musculus domesticus）進行，專注于單一模式生物研究也是符合情理的，對該物種生物組織的多個層面、在廣泛實驗室進行的無數獨立研究中所獲得的經驗知識能更容易地結合在一起。另一種生物模型，如斑馬魚，能為已經積累的大量知識補充些什么呢？我們希望這本書能提供一個結論性的答案。
本書的大部分章節都首先強調了斑馬魚在行為和神經遺傳學方面與其他模式生物相比的優勢。事實上，斑馬魚的確有很多出色的特性使其成為神經科學研究的有用物種，我不會在這里重申這些優勢。但是我將提請讀者注意一個觀點，該觀點為使用該物種提供了強有力的理由，即比較法的強有力的作用。簡而言之，當科學家們用來建模和分析人類功能或疾病機制時采用單一實驗室生物模型可能并不夠，在該項研究中增加采用其他物種可能會進一步提高研究的轉化相關性，即幫助研究者更好地了解人類大腦的功能及其障礙。但是，為什么這種與人類和其他哺乳動物在生物進化上相隔約4億年的魚對轉化或生物醫學研究有用呢？
解釋該答案的最簡潔的方法是使用布爾代數（Boolean algebra）（圖0-1）。為此，請參考我們對生物進化的了解。我們知道物種之間是相互關聯的，一般而言，它們之間的關系越密切，它們擁有共同祖先的時間就越短，也就越相似。問題是我們通常不知道如何量化、識別和/或解釋“相似性”。例如，如果我們能夠確定地知道兩個物種之間看起來相似的特征或生物學功能具有共同的進化起源（我們在進化生物學中稱為“同源性”的相似性），那么我們就可以挑選具有與我們人類特征足夠相似的物種，只需研究這些物種的這些特征就可以外推到人體，并能完全避免用人體自身研究的復雜性。然而，問題是通常明顯的相似性（即使我們可以精確地定義和量化其程度）并不能保證進化的同源性?？此葡嗨频慕Y構和功能可能有不同的進化起源，因此，通常正是由于這個原因，它們背后也有不同的機制，例如昆蟲、鳥類或蝙蝠的翅膀。我們如何確定我們在人類和另一個物種之間發現的明顯相似的特征在進化上確實是同源的，并且在機制上也是相似的呢？這就是比較方法學的用武之地。
根據布爾代數邏輯尋找相似性就是在圖0-1中尋找各區域之間的重疊區域。例如，假設圓圈A代表人類記憶的所有分子機制，圓圈B代表小鼠相同大腦功能的機制，重疊區域表示兩者的相似度。當然，問題是我們目前還不能確切地知道這個重疊區域是什么，也就是說，我們還不知道小鼠和人類記憶的所有機制，更為重要的是，我們還不知道在這些物種中無記憶的所有機制。那么，我們如何才能將注意力集中在真正構成記憶的相關機制上呢？如果增加另一個物種研究，那么我們現在就可以在其中識別潛在的記憶機制（圓圈C），并尋找這三個物種之間存在的重疊區域，我們能確定這三個物種間共有的一組機制。鑒于物種間彼此相關，人們總是能夠識別這種重疊，即共同機制。已確定的共性不僅代表了與特定目標表型（在我們的示例中為記憶）更相關的機制，而且它們也可能代表了該目標表型更為基礎的方面，因為它們代表了所研究物種的進化保守方面。在進化上保守的特征、機制可能是我們生物學中最重要的核心方面。研究斑馬魚并將我們從該物種獲得的結果與從小鼠和人類獲得的結果進行比較，可能會增強我們對人類大腦功能和功能障礙的理解，即可能增加研究的轉化相關性。為了能夠進行這樣的比較，我們需要積累關于第三種物種的研究數據，例如斑馬魚。本書首次嘗試在神經行為遺傳學領域內搜集此類數據方面做出一些努力。
本書并非旨在全面介紹斑馬魚神經和行為遺傳學的方法和原理，這個快速發展的領域的相關知識已經相當廣泛（圖0-2），本書并不能涵蓋其所有的發展歷程。我們的目標是通過對采用斑馬魚進行的一些最有趣和發展最快的神經和行為遺傳學研究的部分研究成果來展示該物種。這些章節的作者都是各自領域的專家，其中一些是資深研究人員，另一些則是后起之秀，而且按照科學慣例，他們來自世界各地。
這本書是為那些有興趣學習斑馬魚研究的神經科學家和愿意考慮在研究中使用遺傳學、神經科學和行為學方法的斑馬魚專家編寫的，這本書可能對那些在神經和行為遺傳學研究方面感興趣的本科生和研究生，以及對希望了解這一快速發展和激動人心的領域的新方法和方向的科研工作者有幫助。

R.T.蓋爾洛伊  　
（劉占彪翻譯　李麗琴審校）

R. T. 格萊（Robert T. Gerlai），匈牙利科學院博士，多倫多大學心理學系教授。在同行評議的科學期刊上發表了200多篇論文，撰寫多本專著，累計引用次數超過12000次，H指數為55。擔任PLOS ONE, Learning and Behavior, Genes Brain and Behaviour, Neurotoxicology and Teratology等學術期刊編委。國際行為和神經遺傳學學會(IBANGS)創始成員。曾于2007年和2008年擔任國際行為神經科學學會(IBNS)主席。于2013年獲得IBANGS頒發的杰出科學家獎，并于2014年獲得國際發展心理生物學學會頒發的John Wiley杰出演講者獎。
研究重點是行為的生物學和遺傳機制。在多倫多大學使用模式生物斑馬魚，采用行為表型、精神藥理學和遺傳學方法研究乙醇濫用，胎兒乙醇譜系障礙以及學習和記憶機制。

《斑馬魚行為與神經遺傳學手冊》原著由全世界該領域知名專家共同撰寫。通過大量精美彩圖，豐富的研究案例，依次展現：斑馬魚自然生態、行為學、飼養和繁殖方法；仔魚和成魚的行為，包括知覺逃逸、運動功能、動機、社會行為、睡眠、攻擊性和反捕食行為以及學習和記憶等；斑馬魚遺傳學方法，包括轉基因報告基因系統和CRISPR/Cas9系統等；模擬和研究人類不同中樞神經系統疾?。ㄒ掖紴E用、帕金森病、癲癇、衰老和睡眠障礙、自閉癥等）的斑馬魚模型；斑馬魚研究大數據和生物信息學，涉及行為篩選設計、全生命周期行為表型分析工具、基因組測序計劃生物信息學資源和神經解剖學在線資源。
全書技術先進前沿，內容系統實用，全彩印刷，適合研究者案頭查閱，對于生命科學、基礎醫學、藥學等領域的研究生和其他研究人員開展斑馬魚相關研究工作具有較強的指導性。

第一部分 斑馬魚概述：自然生態、行為學以及適宜的飼養繁殖條件   1
第一章　斑馬魚的生物和非生物環境	3
1.1　引言	3
1.2　地理分布與物種進化史	3
1.3　非生物和生物環境的特征	4
1.4　棲息地的環境變化	11
1.5　結論	12

第二章　斑馬魚的飼養和繁殖：一些行為學和生態學方面的考慮	16
2.1　引言	16
2.2　標準化問題	18
2.3　自然界中的斑馬魚	19
2.4　實驗室飼養實踐	19
2.5　絕對值與水參數變化速度	23
2.6　實驗水槽和儲水槽條件	23
2.7　結語	25


第二部分 斑馬魚仔魚的行為        29
第三章　斑馬魚仔魚的視覺系統和對視覺刺激的行為反應	31
3.1　斑馬魚仔魚視覺的關聯問題	31
3.2　斑馬魚視覺系統的一般結構	31
3.3　視網膜投射	33
3.4　視覺過程	35
3.5　斑馬魚和哺乳動物視覺處理的比較	37
3.6　視覺行為	37

第四章　斑馬魚仔魚的視覺逃逸：刺激、回路和行為	44
4.1　引言	44
4.2　逼近刺激的基本特征（引起動物逃避的原因是什么？）	45
4.3　逃避行為的執行	48
4.4　視覺逃逸的核心回路	50
4.5　核心逃逸回路的調控	54
4.6　關于逼近回路的開放性問題	56

第五章　斑馬魚聽覺功能的研究進展	65
5.1　水下聽覺環境及其與聲音探測的相關性	65
5.2　斑馬魚耳的形態	66
5.3　關于耳與側線神經丘作用的說明	68
5.4　對斑馬魚在聽覺研究中日益增加的重要性的分析	68
5.5　斑馬魚的聽覺以及我們是如何知道的	69
5.6　毛細胞動力學	71
5.7　魚類毛細胞死亡的原因	73
5.8　毛細胞再生	73
5.9　斑馬魚耳石的形成與生長	74
5.10　斑馬魚聽覺刺激的傳導	75

第六章　社會行為的形成發展	83
6.1　物種間的社會發展	83
6.2　斑馬魚社會行為的定義	84
6.3　發展階段的分類	85
6.4　特定社會行為的開始	87
6.5　社會吸引力	87
6.6　聚集與社會偏好性	88
6.7　社會暗示	89
6.8　早期經驗	90
6.9　結論	90

第七章　斑馬魚仔魚的經典和操作性條件反射	94
7.1　引言	94
7.2　經典條件反射	95
7.3　操作性條件反射	98
7.4　滿欲刺激的聯想學習	102
7.5　綜合討論	102
7.6　展望	105


第三部分 斑馬魚成魚的行為      109
第八章　斑馬魚運動形式和游動路徑特征的行為學研究	111
8.1　引言	111
8.2　斑馬魚運動行為的表型分析	112
8.3　斑馬魚的運動形式	115
8.4　成魚的運動行為	116
8.5　遺傳控制與運動突變體	118
8.6　結論	119

第九章　斑馬魚睡眠的行為標準和研究技術	124
9.1　引言	124
9.2　表征睡眠的行為學標準	125
9.3　清醒/睡眠周期的生物鐘調節	126
9.4　睡眠剝奪和內穩態	128
9.5　喚醒閾值	129
9.6　睡眠體位	130
9.7　定義睡眠的未來工具和標準	130

第十章　斑馬魚的恐懼反應和抗捕食行為—一種良好的實驗模型	136
10.1　引言	136
10.2　焦慮還是恐懼	137
10.3　恐懼：對捕食者的一種自然反應	137
10.4　視覺刺激和成年斑馬魚傳遞恐懼的方法	138
10.5　視覺刺激特異性的反捕食反應	139
10.6　嗅覺線索引起的抗捕獲反應	143
10.7　引起焦慮的范式	144
10.8　仔魚的恐懼反應	144
10.9　斑馬魚恐懼和焦慮的精神藥理學	145
10.10　斑馬魚恐懼和焦慮的遺傳分析	147
10.11　結論	148

第十一章　斑馬魚的社會行為及其精神藥理學和遺傳學分析	152
11.1　引言	152
11.2　群體活動：集群和群聚	153
11.3　社會選擇	156
11.4　其他形式	158
11.5　結論	158

第十二章　成年斑馬魚的聯想學習和非聯想學習	164
12.1　引言	164
12.2　斑馬魚在學習和記憶研究中的應用	165
12.3　非聯想學習	166
12.4　聯想學習	167
12.5　結論	172

第十三章　斑馬魚中的關系型學習：人類陳述性記憶的模型？	180
13.1　引言	180
13.2　斑馬魚應用的優點	181
13.3　為什么要研究學習和記憶，為什么要研究關系記憶？	182
13.4　空間學習：關系學習的一種形式	183
13.5　斑馬魚與哺乳動物物種的空間學習和記憶	184
13.6　斑馬魚空間學習的預測和建構效度	187
13.7　高通量應用	190
13.8　結論	191


第四部分 斑馬魚遺傳學方法     195
第十四章　斑馬魚復雜行為的分子遺傳學研究	197
14.1　引言	197
14.2　斑馬魚仔魚和成魚的行為譜	198
14.3　前脈沖抑制	203
14.4　社交行為	204
14.5　采用正向和反向遺傳策略進行行為篩查	205
14.6　用于行為研究的斑馬魚遺傳種群	205
14.7　實驗室養殖和野生斑馬魚品系的遺傳多樣性	206
14.8　斑馬魚作為全基因組關聯分析的候選模型	206
14.9　行為特征的轉錄組學研究	208
14.10　單細胞分辨率轉錄組學分析	208
14.11　結論	209

第十五章　斑馬魚的行為研究：壓力致變異	217
15.1　引言	217
15.2　實驗數據的變異來源	218
15.3　品系和遺傳變異	219
15.4　品系之間的行為差異	221
15.5　結論	228

第十六章　用于行為遺傳學的突變體設計	233
16.1　用于靶向基因組修飾的可編程核酸酶	233
16.2　DNA修復和DNA修飾	235
16.3　目標選擇：選擇性啟動子、外顯子和起始密碼子的潛力	237
16.4　減少脫靶突變或非目標突變影響的育種應用	237

第十七章　光遺傳學	247
17.1　引言	247
17.2　神經元活動的光遺傳學控制	248
17.3　神經元活動的光遺傳學檢測	250
17.4　光遺傳學回路分析	251
17.5　光遺傳學在斑馬魚行為研究中的應用	252
17.6　光遺傳學的未來展望	254

第十八章　斑馬魚的CRISPR/Cas系統	259
18.1　引言	259
18.2　敲除策略	260
18.3　組織特異性基因破壞	262
18.4　敲入策略	263
18.5　堿基編輯	265
18.6　轉錄調控	266
18.7　譜系追蹤	267
18.8　結論和展望	268

第十九章　PhOTO斑馬魚和啟動轉換：促進神經發育與疾病機制研究	272
19.1　引言：譜系追蹤是精確理解機制不可或缺的方法	272
19.2　譜系追蹤的歷史	273
19.3　PhOTO系統和應用	275
19.4　展望	281


第五部分 疾病模型和行為遺傳學應用  285
第二十章　乙醇對斑馬魚的急性、慢性效應	287
20.1　乙醇成癮的代價	287
20.2　斑馬魚：研究乙醇效應的動物模型	288
20.3　急性乙醇暴露	288
20.4　慢性乙醇效應	291
20.5　斑馬魚品系和種群對乙醇暴露的差異	292
20.6　用于慢性乙醇誘導基因表達研究的微陣列芯片	294
20.7　反向遺傳策略	295
20.8　正向遺傳學和誘變	295
20.9　結論	296

第二十一章　斑馬魚胚胎乙醇暴露的行為遺傳學：FASD模型	301
21.1　引言	301
21.2　斑馬魚作為FASD的動物模型	302
21.3　反向遺傳學	309
21.4　結論	313

第二十二章　斑馬魚多巴胺能神經元的存活、死亡和再生	318
22.1　引言	318
22.2　斑馬魚DA神經元的發育	318
22.3　DA神經元發育中的信號通路	319
22.4　轉錄因子與DA神經元的發育	320
22.5　DA神經回路	321
22.6　斑馬魚DA神經元缺失模型的研究	321
22.7　斑馬魚DA神經元的再生	325
22.8　展望與挑戰	326

第二十三章　帕金森病	331
23.1　引言	331
23.2　關于帕金森病神經退行性病變的原因我們知道些什么？	332
23.3　帕金森病動物模型的作用和斑馬魚的潛在用途	333
23.4　斑馬魚作為帕金森病研究模型的適用性	335
23.5　利用斑馬魚模型闡明孟德爾帕金森病表型和偶發性帕金森病相關基因的功能	342
23.6　利用斑馬魚模型闡明環境毒物與帕金森病相關的作用機制	349
23.7　結論	354

第二十四章　癇性發作和癲癇	361
24.1　引言	361
24.2　化學誘導癲癇發作	362
24.3　誘發癲癇發作的非化學或遺傳方法	364
24.4　癲癇的遺傳學特征	364
24.5　癲癇發作和癲癇高級研究的模型——斑馬魚模型	371

第二十五章　衰老、生物鐘和神經發生研究：斑馬魚法	378
25.1　引言	378
25.2　晝行性脊椎動物模型	379
25.3　逐漸衰老的脊椎動物	380
25.4　代謝挑戰引起的斑馬魚加速衰老	381
25.5　成年斑馬魚神經發生受晝夜節律控制	383
25.6　正常衰老和加速衰老中的神經發生	386
25.7　結論	387

第二十六章　自閉癥譜系障礙斑馬魚模型	392
26.1　自閉癥譜系障礙：臨床特征和研究挑戰	392
26.2　自閉癥譜系障礙遺傳學的研究進展	393
26.3　斑馬魚中保守的ASD相關神經通路	395
26.4　ASD相關的斑馬魚行為	396
26.5　斑馬魚ASD風險基因模型——建立和表型分析	401
26.6　斑馬魚ASD模型的現狀和未來方向	406
26.7　結論	408

第二十七章　斑馬魚攻擊行為研究	418
27.1　攻擊行為和對抗行為	418
27.2　斑馬魚攻擊性研究	418
27.3　斑馬魚在配對爭斗中的對抗行為	419
27.4　對抗行為的量化方法	419
27.5　支配地位的發展：社會壓力與對抗行為	420
27.6　攻擊性的神經基礎	421
27.7　攻擊性的遺傳基礎	421
27.8　攻擊性的藥理學基礎	422
27.9　結論	423

第二十八章　甲基汞誘導影響斑馬魚行為的跨代傳遞的表觀遺傳改變	427
28.1　引言	427
28.2　甲基汞與行為學	428
28.3　發育期甲基汞暴露對斑馬魚行為的影響	429
28.4　功能障礙的跨代遺傳	430
28.5　表觀遺傳學	432
28.6　S-腺苷甲硫氨酸、甲基汞和DNA甲基化	434
28.7　甲基汞誘導的跨代表觀遺傳	435
28.8　結論和下一步計劃	437


第六部分 大數據和生物信息學     443
第二十九章　斑馬魚行為篩選的設計	445
29.1　為什么要篩選?	445
29.2　我們應該篩選什么?	446
29.3　為什么要用行為表型作為篩查標準？	448
29.4　應認真推敲的行為測試概念	449
29.5　行為測試組合，多重行為測量，重疊行為測試	449
29.6　測試組合的結構：自上而下與自下而上	450
29.7　內表型	452
29.8　如何衡量行為？	452
29.9　結論	453

第三十章　斑馬魚全生命周期行為表型分析的軟件工具	456
30.1　引言	456
30.2　追蹤斑馬魚早期發育階段的活動、心率、血流和腸（道）流	457
30.3　在孔板中用斑馬魚仔魚進行高通量篩選	459
30.4　斑馬魚仔魚回避行為的自動分析	460
30.5　在成年斑馬魚的常見測試中檢測特定行為	462
30.6　成年斑馬魚的攻擊行為檢測	464
30.7　成年斑馬魚群聚行為的量化	466
30.8　成年斑馬魚行為軌跡的三維跟蹤	468
30.9　結論	471
30.10　補充數據	472

第三十一章　斑馬魚基因組測序計劃：生物信息學資源	476
31.1　斑馬魚參考基因組測序計劃簡史	476
31.2　評估斑馬魚的基因組組裝	479
31.3　斑馬魚基因組組裝、基因注釋和基因組瀏覽	480
31.4　序列比較分析	481
31.5　變異	483
31.6　亞科魚類基因組測序和組裝	484

第三十二章　注冊、標準化和交互性：斑馬魚神經解剖學在線資源綜述	486
32.1　引言	486
32.2　斑馬魚解剖數據的收集	487
32.3　標準化斑馬魚神經解剖學資源	492
32.4　結論與展望	498


索引	502