斑马鱼的条纹是怎么来的?新的数据分析工具可以提供答案

普罗维登斯，R.I.(布朗大学)——斑马鱼标志性的条纹是自然自组织的一个经典例子。随着斑马鱼胚胎的发育，有三种类型的色素细胞在皮肤周围移动，最终挤成身体长度的黄色和蓝色条纹。

科学家们想要了解引导这种微妙舞蹈的遗传规律，而布朗大学数学家们开发的一种新算法可以帮助他们实现这一目标。本周《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)杂志上介绍了这种算法，它能够量化形状和模式的各种属性，使科学家能够更客观地测试有关斑马鱼条纹(以及其他潜在的发育模式)是如何形成的想法。

“研究斑马鱼条纹的首要目标是了解生物体的早期发展——基因如何表达自己，形成结构和表型，”布朗大学应用数学学院教授、该研究的资深作者比约恩·桑德斯蒂德(Bjorn Sandstede)说。“人们开发了模拟来帮助理解这些过程，但一个挑战是，你看到一些斑马鱼或一些模拟图像，你基本上是在目测它们的相似点和不同点。我们想要创造一些自动化的、更客观的东西。这项新技术可以对模型的输出进行定量分析。

斑驳的

结果证明，斑马鱼是评估基因变化如何影响模式形成的最佳试验基地。它们的胚胎透明且发育迅速，这使科学家有机会对条纹发育进行详细研究。多年来，研究人员发现了许多改变斑马鱼色素模式的基因突变。有些突变改变了条纹的直线度，有些在条纹中引入了小的断裂，还有一些产生了一系列的斑点而不是条纹。这些突变为更好地理解条带形成的规则提供了机会。

这些不同的模式是色素细胞类型相互作用和在发育过程中移动方式变化的结果。为了理解这些细胞遵循的规则，科学家们开发了模拟细胞运动模式形成的计算机模型。通过调整控制模拟的规则，然后观察输出是否与真实鱼类的模式相匹配，科学家可以开始找出哪些规则是重要的。

Sandstede和Alexandria Volkening在布朗大学获得了博士学位，现在是西北大学的博士后研究员，他们之前就开发了这样一个模拟系统，并对条纹的形成产生了新的见解。但研究人员说，最近这篇论文中描述的新算法为评估该模型和其他模型的性能提供了一种新方法。

数据的形状

新算法采用了一种称为拓扑数据分析的技术。

“这是一个较新的数学和统计学领域，关注于形状的量化，”布朗大学的研究生、该研究的第一作者梅丽莎·麦奎尔(Melissa McGuirl)说。“本质上，它是一个工具，允许我们跟踪连接的组件和回路，这些组件和回路对应于代表斑点或条纹的形状特征。”

在这种情况下，这些连接的成分是由斑马鱼图像或斑马鱼条纹发育模拟的单个色素细胞组成的。该算法评估每个单元的位置与其他单元的关联程度，从而评估单元是否属于模式元素——条纹、点或其他元素。研究人员说，这项技术的美妙之处在于，它可以在空间尺度的广谱范围内对模式进行量化，从几个单个细胞到整条鱼。

Sandstede说:“我们能做的就是确定各种各样的描述符，这些描述符能让我们讨论条纹有多直或多弯曲，条纹有多少断裂，细胞间的平均距离是多少。”“如果有斑点，每个斑点上有多少个细胞?”它们是圆的还是长的?”

有了这些更客观的特征测量，研究人员可以更好地评估他们的模型和其他模型在捕捉斑马鱼图案形成的动态方面有多好。研究人员说，这可能会对基因指令如何在自然结构中表现出来产生关键的洞见。

这项技术不仅限于斑马鱼，Sandstede说。

“它比斑马鱼色素细胞更普遍，”他说。“这是用来量化模式和形状的，它真的可以在任何系统中做到这一点。”

该研究得到了国家科学基金会(1644760,DMS-1714429, CCF-1740741, DMS-1440386, DMS-1764421)和西蒙斯基金会(597491)的支持。