捕捉到心动瞬间！科学家首次以高分辨率看清心脏的第一次跳动
捕捉到心动瞬间！科学家首次以高分辨率看清心脏的第一次跳动学术经纬
学术经纬 2023-09-30 17:04
扑~通~扑~通~扑~通~心脏的跳动一直以来是个迷人的问题。2000多年前，被后世称为“生物学之父”的亚里士多德就通过鸡胚胎观察过心脏的跳动。
一般情况下，我们的心脏总是有规律、有节奏地持续跳动着。从出生到老死，一颗心脏在人的一生中大约要跳动30亿次，从不停歇。然而，数十亿次的第一次——心跳的启动却还是一个隐秘的过程。
图片来源：123RF
本周，顶尖学术期刊《自然》发表的一篇论文中，哈佛大学的化学、化学生物学和物理学教授Adam Cohen博士和哈佛医学院系统生物学教授Sean G. Megason博士合作领衔的研究团队，通过斑马鱼首次捕捉到了心脏早期发育过程中，心脏细胞从静止到跳动的启动瞬间。
心脏如何开启第一下跳动？在实验探索之初，研究人员坦陈他们并不知道会发生什么，也许先是有几个细胞开始跳动，然后跳动区域慢慢扩大；也许，是心脏的不同部位分别开始跳动，最终汇合并协调起来；也许，一开始是微弱地跳动，随着时间推移，跳动得越来越有力。
然而，实验结果发现，以上都不是。
▲在斑马鱼胚胎中注射基因编码的钙指示剂，捕捉胚胎心脏细胞的活动（图片来源：参考资料）
研究人员在实验室中培养了斑马鱼。这种全身透明、生长快速的小鱼可以为观察心脏提供绝佳模型，因为受精后只需短短24个小时就可以看到发育的胚胎出现了心跳，同时还可以用摄像头将过程拍摄下来。
利用荧光蛋白和高速显微镜成像技术，研究人员在斑马鱼胚胎中实时捕捉心脏细胞钙离子的含量变化和电活动，通过钙离子水平的大规模爆发和电活动信号指示心脏细胞的跳动。
研究人员惊奇地发现，仿佛在某个瞬间有人打开了一个开关，发育中的斑马鱼心脏细胞会突然开始一致跳动。
▲每个胚胎中，原始心脏都显示出从静止到钙尖峰的突然转变（图片来源：参考资料）
进一步记录了斑马鱼胚胎心脏的最初几次跳动后，研究人员发现，起初的几次跳动频率不高，时间间隔不规律，随着发育，心率逐渐加快并变得更均匀。
有趣的是，每一次心脏跳动都会有一个区域率先放电，引发的电流迅速通过其他细胞并促使它们放电。而在不同的斑马鱼个体中，最早放电的细胞区域并不一致，也就说，并没有哪个区域的细胞专门负责启动每一次心跳。
这一点同样令研究人员感到惊讶，因为这和我们通常在发育成熟的心脏中所见到的情形完全不同：成体心脏中，在特定区域有专门的起搏细胞作为指挥官协调心跳，然而在处于发育过程的心脏中，每个心脏细胞都有自发跳动能力。
这些新发现不仅令科学家的好奇心得到了极大的满足，更重要的是，研究人员相信，斑马鱼的心脏发育过程与包括人类在内的其他物种很可能是一致的，因此研究心跳的基本生物学特性也将有助于科学家更了解人类的心律失常如何发生、如何干预。
参考资料： Bill Z. Jia et al., A bioelectrical phase transition patterns the first vertebrate heartbeats. Nature (2023) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06561-z How the heart starts beating. Retrieved Sep. 22, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1002398
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