斑马鱼行为与神经遗传学手册

本书全彩印刷，是由加拿大多伦大大学Robert T. Gelai教授主编的“斑马鱼模式生物研究”主题专著。本书一方面强调了斑马鱼具有很多出色的特性使其成为神经科学研究的有用物种；另一方面也强调了斑马鱼作为除小鼠之外的另一种重要模式生物，能进一步提高生物医学研究的人体转化相关性，尤其在帮助研究者更好地了解人类大脑的功能和功能障碍方面具有无可比拟的优势。

译者的话
《斑马鱼行为与神经遗传学手册》是加拿大学者Robert T. Gerlai主编的有关“斑马鱼模式生物研究”主题的专著。该书一方面强调了斑马鱼具有的很多出色的特性使其成为神经科学研究的有用物种；另一方面也强调了斑马鱼作为除小鼠之外的另一种重要的模式生物，能进一步提高生物医学研究的人体转化相关性，尤其在帮助研究者更好地了解人类大脑的功能和功能障碍方面具有无可比拟的优势。全书共分为六个部分。第一部分简要介绍了斑马鱼，并讨论了有关该物种的自然生态和行为学以及斑马鱼的饲养和繁殖方法等问题。第二部分和第三部分分别介绍了斑马鱼仔鱼和成鱼的行为，包括知觉系统、运动功能、动机，以及一些复杂的行为，包括社会行为、睡眠行为、攻击性和反捕食行为以及学习和记忆的不同形式和方面等。第四部分介绍了一些为斑马鱼开发或采用的现代重组DNA方法，包括转基因报告基因系统和CRISPR/Cas9系统等。第五部分为对上述讨论的主题进行总结，并综述了如何利用斑马鱼模拟和研究人类的不同中枢神经系统疾病和问题，包括乙醇滥用相关疾病、帕金森病、癫痫、衰老和睡眠障碍、自闭症和冲动行为等。第六部分介绍了数据收集和生物信息学相关的主题，包括如何设计和进行高通量行为筛选、采用什么软件工具进行行为测试、如何利用生物信息学资源进行遗传分析以及斑马鱼大脑解剖结构探索等。
本书系统介绍了斑马鱼作为模式生物的行为和神经遗传学相关的最新研究方法和最新概念，描述了斑马鱼仔鱼和成鱼的神经行为，提供了如何将这些行为方法用于斑马鱼疾病模型的大量实例，讨论了与斑马鱼神经行为遗传学相关的生物信息学和“大数据”相关问题，展示了斑马鱼在转化医学方面的优势与应用前景，该书所提供的多种疾病模型也可为了解人类疾病的发生、发展及其分子机制等提供良好的参考。
国内尚未见有关斑马鱼的行为和神经遗传学系统研究方面的论著。本书的编著者均为各自领域的专家，他们来自世界著名的科研机构和大学，他们从事斑马鱼模式生物研究工作并搜集了大量关于斑马鱼的行为和神经遗传学研究的相关资料。本书是读者全面系统了解斑马鱼在生物医学转化研究方面的进展情况的综合性参考资料。因此，本书对从事神经行为学、神经生物学、神经药理学、临床医学及相关专业的科学研究人员等具有较大的参考价值，并可作为研究生教学参考书。
本书由中国人民解放军军事科学院防化研究院相关研究人员负责翻译。李丽琴研究员担任主译，石童副研究员担任副主译。王陈博士、石晶晶博士、朱思庆博士、刘东鑫硕士、刘占彪硕士、刘艳丽博士、李海芸博士、吴方晖博士、宋云扬博士、宋良才硕士、张毅博士、张瑞华博士、陈学军博士、宗星星博士、赵丽博士（首都医科大学）、郭煊君硕士、曹念念硕士、靳倩博士分别对有关章节进行了翻译和审校。在此，对所有参与翻译和审校的工作人员表示最诚挚的谢意！ 
由于水平有限，疏漏难免，请读者批评指正！

译者  
2023年9月




原版前言：行为与神经遗传学中的斑马鱼
美国总统乔治·布什（George H. W. Bush）的总统公告（#6158）宣称：20世纪的最后10年为“大脑十年”，旨在“提升公众对于从大脑研究所获益处的认识”（https：//www.loc.gov/loc/brain/proclaim.html）。进入21世纪后仍延续了这一主题。2013年，美国总统奥巴马（Barack H. Obama）宣布启动BRAIN（通过推进创新神经技术进行大脑研究）计划（https：//obamawhitehouse.archives.gov/BRAIN），其目标是“彻底改变我们对人类大脑的理解”，政府机构【包括美国国家卫生研究院（NIH）https：//braininitiative.nih.gov/】和私营企业都已经参与其中。大脑作为我们身体中最复杂的器官，作为科学研究的最前沿，长期以来使得政治家和工作者们为之着迷。在全球范围内已有数亿美元的资金被用于大脑研究，我们对大脑的认识也随着研究的拓展而迅速增长，包括宏观结构、微观结构、连接组、生理学、细胞生物学、突触功能，以及该极具吸引力的器官的分子生物学和生物化学等方面。其中一些研究并不是直接针对人类进行的，而是针对科学家们认为与人类相似的实验室生物进行的。在21世纪大多数实验室的神经科学研究都是采用单一的生物模型小白鼠（Mus musculus domesticus）进行，专注于单一模式生物研究也是符合情理的，对该物种生物组织的多个层面、在广泛实验室进行的无数独立研究中所获得的经验知识能更容易地结合在一起。另一种生物模型，如斑马鱼，能为已经积累的大量知识补充些什么呢？我们希望这本书能提供一个结论性的答案。
本书的大部分章节都首先强调了斑马鱼在行为和神经遗传学方面与其他模式生物相比的优势。事实上，斑马鱼的确有很多出色的特性使其成为神经科学研究的有用物种，我不会在这里重申这些优势。但是我将提请读者注意一个观点，该观点为使用该物种提供了强有力的理由，即比较法的强有力的作用。简而言之，当科学家们用来建模和分析人类功能或疾病机制时采用单一实验室生物模型可能并不够，在该项研究中增加采用其他物种可能会进一步提高研究的转化相关性，即帮助研究者更好地了解人类大脑的功能及其障碍。但是，为什么这种与人类和其他哺乳动物在生物进化上相隔约4亿年的鱼对转化或生物医学研究有用呢？
解释该答案的最简洁的方法是使用布尔代数（Boolean algebra）（图0-1）。为此，请参考我们对生物进化的了解。我们知道物种之间是相互关联的，一般而言，它们之间的关系越密切，它们拥有共同祖先的时间就越短，也就越相似。问题是我们通常不知道如何量化、识别和/或解释“相似性”。例如，如果我们能够确定地知道两个物种之间看起来相似的特征或生物学功能具有共同的进化起源（我们在进化生物学中称为“同源性”的相似性），那么我们就可以挑选具有与我们人类特征足够相似的物种，只需研究这些物种的这些特征就可以外推到人体，并能完全避免用人体自身研究的复杂性。然而，问题是通常明显的相似性（即使我们可以精确地定义和量化其程度）并不能保证进化的同源性。看似相似的结构和功能可能有不同的进化起源，因此，通常正是由于这个原因，它们背后也有不同的机制，例如昆虫、鸟类或蝙蝠的翅膀。我们如何确定我们在人类和另一个物种之间发现的明显相似的特征在进化上确实是同源的，并且在机制上也是相似的呢？这就是比较方法学的用武之地。
根据布尔代数逻辑寻找相似性就是在图0-1中寻找各区域之间的重叠区域。例如，假设圆圈A代表人类记忆的所有分子机制，圆圈B代表小鼠相同大脑功能的机制，重叠区域表示两者的相似度。当然，问题是我们目前还不能确切地知道这个重叠区域是什么，也就是说，我们还不知道小鼠和人类记忆的所有机制，更为重要的是，我们还不知道在这些物种中无记忆的所有机制。那么，我们如何才能将注意力集中在真正构成记忆的相关机制上呢？如果增加另一个物种研究，那么我们现在就可以在其中识别潜在的记忆机制（圆圈C），并寻找这三个物种之间存在的重叠区域，我们能确定这三个物种间共有的一组机制。鉴于物种间彼此相关，人们总是能够识别这种重叠，即共同机制。已确定的共性不仅代表了与特定目标表型（在我们的示例中为记忆）更相关的机制，而且它们也可能代表了该目标表型更为基础的方面，因为它们代表了所研究物种的进化保守方面。在进化上保守的特征、机制可能是我们生物学中最重要的核心方面。研究斑马鱼并将我们从该物种获得的结果与从小鼠和人类获得的结果进行比较，可能会增强我们对人类大脑功能和功能障碍的理解，即可能增加研究的转化相关性。为了能够进行这样的比较，我们需要积累关于第三种物种的研究数据，例如斑马鱼。本书首次尝试在神经行为遗传学领域内搜集此类数据方面做出一些努力。
本书并非旨在全面介绍斑马鱼神经和行为遗传学的方法和原理，这个快速发展的领域的相关知识已经相当广泛（图0-2），本书并不能涵盖其所有的发展历程。我们的目标是通过对采用斑马鱼进行的一些最有趣和发展最快的神经和行为遗传学研究的部分研究成果来展示该物种。这些章节的作者都是各自领域的专家，其中一些是资深研究人员，另一些则是后起之秀，而且按照科学惯例，他们来自世界各地。
这本书是为那些有兴趣学习斑马鱼研究的神经科学家和愿意考虑在研究中使用遗传学、神经科学和行为学方法的斑马鱼专家编写的，这本书可能对那些在神经和行为遗传学研究方面感兴趣的本科生和研究生，以及对希望了解这一快速发展和激动人心的领域的新方法和方向的科研工作者有帮助。

R.T.盖尔洛伊  　
（刘占彪翻译　李丽琴审校）

R. T. 格莱（Robert T. Gerlai），匈牙利科学院博士，多伦多大学心理学系教授。在同行评议的科学期刊上发表了200多篇论文，撰写多本专著，累计引用次数超过12000次，H指数为55。担任PLOS ONE, Learning and Behavior, Genes Brain and Behaviour, Neurotoxicology and Teratology等学术期刊编委。国际行为和神经遗传学学会(IBANGS)创始成员。曾于2007年和2008年担任国际行为神经科学学会(IBNS)主席。于2013年获得IBANGS颁发的杰出科学家奖，并于2014年获得国际发展心理生物学学会颁发的John Wiley杰出演讲者奖。
研究重点是行为的生物学和遗传机制。在多伦多大学使用模式生物斑马鱼，采用行为表型、精神药理学和遗传学方法研究乙醇滥用，胎儿乙醇谱系障碍以及学习和记忆机制。

《斑马鱼行为与神经遗传学手册》原著由全世界该领域知名专家共同撰写。通过大量精美彩图，丰富的研究案例，依次展现：斑马鱼自然生态、行为学、饲养和繁殖方法；仔鱼和成鱼的行为，包括知觉逃逸、运动功能、动机、社会行为、睡眠、攻击性和反捕食行为以及学习和记忆等；斑马鱼遗传学方法，包括转基因报告基因系统和CRISPR/Cas9系统等；模拟和研究人类不同中枢神经系统疾病（乙醇滥用、帕金森病、癫痫、衰老和睡眠障碍、自闭症等）的斑马鱼模型；斑马鱼研究大数据和生物信息学，涉及行为筛选设计、全生命周期行为表型分析工具、基因组测序计划生物信息学资源和神经解剖学在线资源。
全书技术先进前沿，内容系统实用，全彩印刷，适合研究者案头查阅，对于生命科学、基础医学、药学等领域的研究生和其他研究人员开展斑马鱼相关研究工作具有较强的指导性。

第一部分 斑马鱼概述：自然生态、行为学以及适宜的饲养繁殖条件   1
第一章　斑马鱼的生物和非生物环境	3
1.1　引言	3
1.2　地理分布与物种进化史	3
1.3　非生物和生物环境的特征	4
1.4　栖息地的环境变化	11
1.5　结论	12

第二章　斑马鱼的饲养和繁殖：一些行为学和生态学方面的考虑	16
2.1　引言	16
2.2　标准化问题	18
2.3　自然界中的斑马鱼	19
2.4　实验室饲养实践	19
2.5　绝对值与水参数变化速度	23
2.6　实验水槽和储水槽条件	23
2.7　结语	25


第二部分 斑马鱼仔鱼的行为        29
第三章　斑马鱼仔鱼的视觉系统和对视觉刺激的行为反应	31
3.1　斑马鱼仔鱼视觉的关联问题	31
3.2　斑马鱼视觉系统的一般结构	31
3.3　视网膜投射	33
3.4　视觉过程	35
3.5　斑马鱼和哺乳动物视觉处理的比较	37
3.6　视觉行为	37

第四章　斑马鱼仔鱼的视觉逃逸：刺激、回路和行为	44
4.1　引言	44
4.2　逼近刺激的基本特征（引起动物逃避的原因是什么？）	45
4.3　逃避行为的执行	48
4.4　视觉逃逸的核心回路	50
4.5　核心逃逸回路的调控	54
4.6　关于逼近回路的开放性问题	56

第五章　斑马鱼听觉功能的研究进展	65
5.1　水下听觉环境及其与声音探测的相关性	65
5.2　斑马鱼耳的形态	66
5.3　关于耳与侧线神经丘作用的说明	68
5.4　对斑马鱼在听觉研究中日益增加的重要性的分析	68
5.5　斑马鱼的听觉以及我们是如何知道的	69
5.6　毛细胞动力学	71
5.7　鱼类毛细胞死亡的原因	73
5.8　毛细胞再生	73
5.9　斑马鱼耳石的形成与生长	74
5.10　斑马鱼听觉刺激的传导	75

第六章　社会行为的形成发展	83
6.1　物种间的社会发展	83
6.2　斑马鱼社会行为的定义	84
6.3　发展阶段的分类	85
6.4　特定社会行为的开始	87
6.5　社会吸引力	87
6.6　聚集与社会偏好性	88
6.7　社会暗示	89
6.8　早期经验	90
6.9　结论	90

第七章　斑马鱼仔鱼的经典和操作性条件反射	94
7.1　引言	94
7.2　经典条件反射	95
7.3　操作性条件反射	98
7.4　满欲刺激的联想学习	102
7.5　综合讨论	102
7.6　展望	105


第三部分 斑马鱼成鱼的行为      109
第八章　斑马鱼运动形式和游动路径特征的行为学研究	111
8.1　引言	111
8.2　斑马鱼运动行为的表型分析	112
8.3　斑马鱼的运动形式	115
8.4　成鱼的运动行为	116
8.5　遗传控制与运动突变体	118
8.6　结论	119

第九章　斑马鱼睡眠的行为标准和研究技术	124
9.1　引言	124
9.2　表征睡眠的行为学标准	125
9.3　清醒/睡眠周期的生物钟调节	126
9.4　睡眠剥夺和内稳态	128
9.5　唤醒阈值	129
9.6　睡眠体位	130
9.7　定义睡眠的未来工具和标准	130

第十章　斑马鱼的恐惧反应和抗捕食行为—一种良好的实验模型	136
10.1　引言	136
10.2　焦虑还是恐惧	137
10.3　恐惧：对捕食者的一种自然反应	137
10.4　视觉刺激和成年斑马鱼传递恐惧的方法	138
10.5　视觉刺激特异性的反捕食反应	139
10.6　嗅觉线索引起的抗捕获反应	143
10.7　引起焦虑的范式	144
10.8　仔鱼的恐惧反应	144
10.9　斑马鱼恐惧和焦虑的精神药理学	145
10.10　斑马鱼恐惧和焦虑的遗传分析	147
10.11　结论	148

第十一章　斑马鱼的社会行为及其精神药理学和遗传学分析	152
11.1　引言	152
11.2　群体活动：集群和群聚	153
11.3　社会选择	156
11.4　其他形式	158
11.5　结论	158

第十二章　成年斑马鱼的联想学习和非联想学习	164
12.1　引言	164
12.2　斑马鱼在学习和记忆研究中的应用	165
12.3　非联想学习	166
12.4　联想学习	167
12.5　结论	172

第十三章　斑马鱼中的关系型学习：人类陈述性记忆的模型？	180
13.1　引言	180
13.2　斑马鱼应用的优点	181
13.3　为什么要研究学习和记忆，为什么要研究关系记忆？	182
13.4　空间学习：关系学习的一种形式	183
13.5　斑马鱼与哺乳动物物种的空间学习和记忆	184
13.6　斑马鱼空间学习的预测和建构效度	187
13.7　高通量应用	190
13.8　结论	191


第四部分 斑马鱼遗传学方法     195
第十四章　斑马鱼复杂行为的分子遗传学研究	197
14.1　引言	197
14.2　斑马鱼仔鱼和成鱼的行为谱	198
14.3　前脉冲抑制	203
14.4　社交行为	204
14.5　采用正向和反向遗传策略进行行为筛查	205
14.6　用于行为研究的斑马鱼遗传种群	205
14.7　实验室养殖和野生斑马鱼品系的遗传多样性	206
14.8　斑马鱼作为全基因组关联分析的候选模型	206
14.9　行为特征的转录组学研究	208
14.10　单细胞分辨率转录组学分析	208
14.11　结论	209

第十五章　斑马鱼的行为研究：压力致变异	217
15.1　引言	217
15.2　实验数据的变异来源	218
15.3　品系和遗传变异	219
15.4　品系之间的行为差异	221
15.5　结论	228

第十六章　用于行为遗传学的突变体设计	233
16.1　用于靶向基因组修饰的可编程核酸酶	233
16.2　DNA修复和DNA修饰	235
16.3　目标选择：选择性启动子、外显子和起始密码子的潜力	237
16.4　减少脱靶突变或非目标突变影响的育种应用	237

第十七章　光遗传学	247
17.1　引言	247
17.2　神经元活动的光遗传学控制	248
17.3　神经元活动的光遗传学检测	250
17.4　光遗传学回路分析	251
17.5　光遗传学在斑马鱼行为研究中的应用	252
17.6　光遗传学的未来展望	254

第十八章　斑马鱼的CRISPR/Cas系统	259
18.1　引言	259
18.2　敲除策略	260
18.3　组织特异性基因破坏	262
18.4　敲入策略	263
18.5　碱基编辑	265
18.6　转录调控	266
18.7　谱系追踪	267
18.8　结论和展望	268

第十九章　PhOTO斑马鱼和启动转换：促进神经发育与疾病机制研究	272
19.1　引言：谱系追踪是精确理解机制不可或缺的方法	272
19.2　谱系追踪的历史	273
19.3　PhOTO系统和应用	275
19.4　展望	281


第五部分 疾病模型和行为遗传学应用  285
第二十章　乙醇对斑马鱼的急性、慢性效应	287
20.1　乙醇成瘾的代价	287
20.2　斑马鱼：研究乙醇效应的动物模型	288
20.3　急性乙醇暴露	288
20.4　慢性乙醇效应	291
20.5　斑马鱼品系和种群对乙醇暴露的差异	292
20.6　用于慢性乙醇诱导基因表达研究的微阵列芯片	294
20.7　反向遗传策略	295
20.8　正向遗传学和诱变	295
20.9　结论	296

第二十一章　斑马鱼胚胎乙醇暴露的行为遗传学：FASD模型	301
21.1　引言	301
21.2　斑马鱼作为FASD的动物模型	302
21.3　反向遗传学	309
21.4　结论	313

第二十二章　斑马鱼多巴胺能神经元的存活、死亡和再生	318
22.1　引言	318
22.2　斑马鱼DA神经元的发育	318
22.3　DA神经元发育中的信号通路	319
22.4　转录因子与DA神经元的发育	320
22.5　DA神经回路	321
22.6　斑马鱼DA神经元缺失模型的研究	321
22.7　斑马鱼DA神经元的再生	325
22.8　展望与挑战	326

第二十三章　帕金森病	331
23.1　引言	331
23.2　关于帕金森病神经退行性病变的原因我们知道些什么？	332
23.3　帕金森病动物模型的作用和斑马鱼的潜在用途	333
23.4　斑马鱼作为帕金森病研究模型的适用性	335
23.5　利用斑马鱼模型阐明孟德尔帕金森病表型和偶发性帕金森病相关基因的功能	342
23.6　利用斑马鱼模型阐明环境毒物与帕金森病相关的作用机制	349
23.7　结论	354

第二十四章　痫性发作和癫痫	361
24.1　引言	361
24.2　化学诱导癫痫发作	362
24.3　诱发癫痫发作的非化学或遗传方法	364
24.4　癫痫的遗传学特征	364
24.5　癫痫发作和癫痫高级研究的模型——斑马鱼模型	371

第二十五章　衰老、生物钟和神经发生研究：斑马鱼法	378
25.1　引言	378
25.2　昼行性脊椎动物模型	379
25.3　逐渐衰老的脊椎动物	380
25.4　代谢挑战引起的斑马鱼加速衰老	381
25.5　成年斑马鱼神经发生受昼夜节律控制	383
25.6　正常衰老和加速衰老中的神经发生	386
25.7　结论	387

第二十六章　自闭症谱系障碍斑马鱼模型	392
26.1　自闭症谱系障碍：临床特征和研究挑战	392
26.2　自闭症谱系障碍遗传学的研究进展	393
26.3　斑马鱼中保守的ASD相关神经通路	395
26.4　ASD相关的斑马鱼行为	396
26.5　斑马鱼ASD风险基因模型——建立和表型分析	401
26.6　斑马鱼ASD模型的现状和未来方向	406
26.7　结论	408

第二十七章　斑马鱼攻击行为研究	418
27.1　攻击行为和对抗行为	418
27.2　斑马鱼攻击性研究	418
27.3　斑马鱼在配对争斗中的对抗行为	419
27.4　对抗行为的量化方法	419
27.5　支配地位的发展：社会压力与对抗行为	420
27.6　攻击性的神经基础	421
27.7　攻击性的遗传基础	421
27.8　攻击性的药理学基础	422
27.9　结论	423

第二十八章　甲基汞诱导影响斑马鱼行为的跨代传递的表观遗传改变	427
28.1　引言	427
28.2　甲基汞与行为学	428
28.3　发育期甲基汞暴露对斑马鱼行为的影响	429
28.4　功能障碍的跨代遗传	430
28.5　表观遗传学	432
28.6　S-腺苷甲硫氨酸、甲基汞和DNA甲基化	434
28.7　甲基汞诱导的跨代表观遗传	435
28.8　结论和下一步计划	437


第六部分 大数据和生物信息学     443
第二十九章　斑马鱼行为筛选的设计	445
29.1　为什么要筛选?	445
29.2　我们应该筛选什么?	446
29.3　为什么要用行为表型作为筛查标准？	448
29.4　应认真推敲的行为测试概念	449
29.5　行为测试组合，多重行为测量，重叠行为测试	449
29.6　测试组合的结构：自上而下与自下而上	450
29.7　内表型	452
29.8　如何衡量行为？	452
29.9　结论	453

第三十章　斑马鱼全生命周期行为表型分析的软件工具	456
30.1　引言	456
30.2　追踪斑马鱼早期发育阶段的活动、心率、血流和肠（道）流	457
30.3　在孔板中用斑马鱼仔鱼进行高通量筛选	459
30.4　斑马鱼仔鱼回避行为的自动分析	460
30.5　在成年斑马鱼的常见测试中检测特定行为	462
30.6　成年斑马鱼的攻击行为检测	464
30.7　成年斑马鱼群聚行为的量化	466
30.8　成年斑马鱼行为轨迹的三维跟踪	468
30.9　结论	471
30.10　补充数据	472

第三十一章　斑马鱼基因组测序计划：生物信息学资源	476
31.1　斑马鱼参考基因组测序计划简史	476
31.2　评估斑马鱼的基因组组装	479
31.3　斑马鱼基因组组装、基因注释和基因组浏览	480
31.4　序列比较分析	481
31.5　变异	483
31.6　亚科鱼类基因组测序和组装	484

第三十二章　注册、标准化和交互性：斑马鱼神经解剖学在线资源综述	486
32.1　引言	486
32.2　斑马鱼解剖数据的收集	487
32.3　标准化斑马鱼神经解剖学资源	492
32.4　结论与展望	498


索引	502