雖然科學(xué)家已經(jīng)確定了一些重要的蛋白質(zhì)，它們決定著神經(jīng)元在大腦形成過(guò)程中如何定位，但是，所有這些蛋白質(zhì)在活的生物體內(nèi)是如何相互作用的，在很大程度上還是未知的。模式動(dòng)物——盡管它們有別于人類，已經(jīng)揭示了關(guān)于人類生理學(xué)的許多信息，因?yàn)樗鼈兏?jiǎn)單，更容易理解。在這種情況下，研究人員選擇了秀麗隱桿線蟲(C. elegans)，因?yàn)樗挥?02個(gè)神經(jīng)元，其中有222個(gè)是在線蟲還是一個(gè)胚胎時(shí)形成的。雖然這些神經(jīng)元中有一些定位到線蟲神經(jīng)環(huán)(大腦)，它們也沿腹神經(jīng)索傳播，這與人類的脊髓大致相同。線蟲甚至有它自己的蛋白質(zhì)版本，在更復(fù)雜的生物體(如果蠅、小鼠，或人類)中，這些相同的蛋白質(zhì)被用來(lái)指導(dǎo)大腦的形成。

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院Hari Shroff博士指出：“理解神經(jīng)元為什么和如何形成，以及它們到達(dá)zui終目的地的途徑，有望可以提供關(guān)于‘在神經(jīng)元的發(fā)育過(guò)程中，蛋白質(zhì)和其他分子因素如何相互作用’的有價(jià)值的信息。即使在線蟲的情況下，我們?nèi)匀徊涣私馍窠?jīng)發(fā)育，但我們將它作為一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，來(lái)探討這些因素如何互相協(xié)作，推動(dòng)線蟲大腦和神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的發(fā)育。”

然而，在胚胎發(fā)育過(guò)程中經(jīng)過(guò)線蟲體內(nèi)的神經(jīng)元并不像看上去那么簡(jiǎn)單。*個(gè)挑戰(zhàn)是，研發(fā)新的顯微鏡，可以記錄這些線蟲的胚胎發(fā)育，而不會(huì)通過(guò)過(guò)多的曝光而破壞它們，而仍然得到清楚看到個(gè)別細(xì)胞所需的分辨率。Shroff和其他單位合作，通過(guò)開發(fā)新的顯微鏡，提高速度和分辨率——可以影像線蟲的胚胎發(fā)育，從而解決了這個(gè)問(wèn)題。

第二個(gè)問(wèn)題是，在發(fā)育過(guò)程中，線蟲開始“抽動(dòng)”，在卵內(nèi)四處運(yùn)動(dòng)。折疊和扭曲使我們很難跟蹤細(xì)胞并解析運(yùn)動(dòng)。例如，如果一個(gè)神經(jīng)元在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)，是因?yàn)榕咛ヅで?，還是因?yàn)樯窠?jīng)元實(shí)際上改變了在胚胎內(nèi)的位置?理解使神經(jīng)元到達(dá)zui終目的機(jī)制，是了解大腦如何形成的一個(gè)重要因素——如果不知道神經(jīng)元在哪里和如何移動(dòng)，是很難確定的。zui后，在三維空間中確定一個(gè)神經(jīng)元的位置，同時(shí)著眼于一個(gè)二維圖像——特別是一個(gè)折疊起來(lái)的線蟲，可能是具有挑戰(zhàn)性的。

Ryan Christensen指出：“想象一下，你想在一個(gè)擁擠的禮堂里跟蹤每個(gè)人，你每次看到只能一個(gè)人，觀眾席本身是看不見的。這有點(diǎn)像嘗試跟蹤線蟲中的神經(jīng)元彼此是如何相互的。你既需要有能力同時(shí)看到每一個(gè)人，也需要讓觀眾席是可見的，這樣你就可以把每個(gè)人都放在適當(dāng)?shù)奈恢?，并找出每個(gè)人的動(dòng)作。我們的軟件可以使觀眾席可見，并允許我們將每個(gè)人(神經(jīng)元)放在適當(dāng)?shù)那闆r中。”

線蟲的胚胎通常是透明的，但研究人員用熒光蛋白作為標(biāo)記，使胚胎中的幾個(gè)細(xì)胞發(fā)出亮光。當(dāng)把這些細(xì)胞的顯微圖像輸入計(jì)算機(jī)程序時(shí)，計(jì)算機(jī)可確定每個(gè)細(xì)胞，并使用這些信息來(lái)創(chuàng)建一個(gè)線蟲模型，然后計(jì)算產(chǎn)生一個(gè)直觀的圖像。該程序還允許用戶檢查計(jì)算機(jī)模型的準(zhǔn)確性，并在發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行校正。