斑馬魚的條紋蘊藏了怎樣的原理？
斑馬魚標誌性的條紋是自然界自組織的經典例子。隨著斑馬魚胚胎的發育，有三種類型的色素細胞在皮膚周圍移動，最終形成了與體長相當的黃藍條紋。
近日，美國布朗大學的數學家們在《美國國家科學院院刊》雜誌中介紹了一種新的算法，它能夠量化形狀和圖案的各種屬性，使科學家能夠更客觀地探究斑馬魚的條紋的形成和潛在發育模式。
“研究斑馬魚條紋的首要目標是瞭解生物體的早期發育，即形成結構和表型的基因表達模式。”布朗大學應用數學學院教授、該研究的主要作者Bjorn Sandstede說，“人們開發了模擬程序來幫助理解這些過程，當你看到模擬出的斑馬魚或模擬圖像時，本質上你是在觀察它們的異同點。我們想創造一種更自動化、更客觀的東西。”
事實上，斑馬魚是評估基因變化影響圖案形成的理想對象。多年來，研究人員發現了許多改變斑馬魚色素圖案的基因突變。有些突變會改變條紋的平直度，有些會導致條紋的斷裂，還有一些突變只能形成斑點。
為何斑馬魚會出現不同的圖案？研究人員認為是色素細胞相互作用的方式在發育過程中發生了改變。
為了理解這些細胞遵循的規則，科學家們開發了模擬細胞運動模式形成的計算機模型。通過調整控制模擬的規則，然後觀察輸出結果與真實斑馬魚條紋圖案的匹配程度，科學家就能找到“控制規則”。
Sandstede和Alexandria Volkening在此前開發的模擬系統的基礎上，開發了一種新算法——拓撲數據分析的技術。“這是一個數學和統計學較新的領域，主要研究形狀量化。”布朗大學的研究生、該研究的第一作者Melissa McGuirl說，“本質上，它是一個能讓我們追蹤連接的組件和迴路的工具，這些組件和迴路與代表斑點或條紋的形狀特徵相對應。”
在本研究中，這些相互連接的組件由斑馬魚影像中或斑馬魚條紋發育模擬中的單個色素細胞組成。該算法評估了細胞位置之間的關聯程度，從而確定細胞是否是某種圖案元素的一部分。研究人員說，這項技術的美妙之處在於，它可以在較大的空間尺度內對圖案進行量化，從數個細胞到整條魚。
Sandstede說：“我們利用模型能做的就是確定各種各樣的描述符，這些描述符能告訴我們條紋的平直度、彎曲度或者細胞間的平均距離等信息。”
有了這些更客觀的特徵測量，研究人員可以更好地評估不同模型對斑馬魚圖案形成的動態過程的捕捉效力。“它不僅可以應用於斑馬魚色素細胞。”Sandstede說，“它還能用來量化圖案和形狀的。”
編譯：燈絲 審稿：alone 責編： 雷鑫宇
期刊編號：0027-8424
原文鏈接：https://www.brown.edu/news/2020-02-27/zebrafish
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