Serotonergic Control of Spine Morphology During Growth in Zebrafish
这项研究表明，在斑马鱼中，神经元血清素信号通过控制运动活动而非直接塑造骨骼来调节生长过程中的脊柱稳定性，其中其缺乏会导致游泳模式改变，进而机械性地诱发进行性脊柱弯曲。
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人类的脊柱是工程学上的奇迹，它是一个灵活的骨骼柱，必须在保持完美笔直的同时不断增长，以支撑身体对抗重力。然而，对于许多孩子来说，这种平衡在青春期的快速生长阶段失效了。一种被称为脊柱侧弯的疾病会导致脊柱发生三维方向的扭曲和侧弯，这种畸形可能导致疼痛、呼吸困难以及显著的身体变化。尽管医生们长期观察到这种情况通常具有家族遗传性，且在女性中出现得更为频繁，但点燃这种弯曲的生物学火花却一直是一个难以捉摸的谜团。科学家们一直在争论，问题究竟是始于骨骼本身，还是始于指导身体如何生长的化学信号，亦或是始于控制我们站立与移动的神经系统。几十年来，一种特定的化学信使——血清素，一直是怀疑对象。血清素是一种以调节情绪作用而闻名的分子，但它也是褪黑素（一种控制睡眠周期的激素）的前体，并有助于协调神经与肌肉之间的信号。由于这些多样化的角色，研究人员一直在思考，人体使用血清素的方式是否存在缺陷，从而成为导致脊柱弯曲的隐藏原因。
一项使用斑马鱼进行的新研究为这个问题提供了一个明确的答案，将关注点从骨骼本身转向了引导它们的神经系统。俄勒冈大学的研究人员发现，当斑马鱼缺乏合成血清素所需的特定酶时，它们在生长过程中会出现严重的脊柱弯曲，这与人类身上观察到的进展过程如出一辙。由丹尼尔·格里姆斯（Daniel Grimes）领导的研究团队不仅仅仅是观察到这些鱼出现了脊柱弯曲；他们还通过对鱼进行从诞生之初到成年期的细致追踪，以了解问题究竟是如何以及在何时开始的。他们发现，这些鱼在生命初期拥有完全正常、笔直的脊柱。骨骼按照正确的顺序和形状形成，最初的骨骼蓝图也是完美的。弯曲直到鱼进入幼年快速生长期才出现，这表明缺陷并非源于骨骼的结构性故障，而是源于那个指挥脊柱如何长直的系统的失效。
为了确定问题是否出在松果体（大脑中产生褪黑素的一个小结构，长期以来被怀疑是脊柱侧弯的诱因），研究人员使用一种精确的遗传工具去除了健康鱼类松果体中的感光细胞。他们原本预期如果没有这些细胞，鱼类会发育出弯曲的脊柱。然而，这些鱼却生长得非常笔直。这一结果有效地排除了松果体作为该特定疾病模型中主要元凶的可能性。同样地，研究人员检查了另一个被称为雷斯纳纤维（Reissner fiber）的结构，这是一种贯穿脊髓的长丝状蛋白质，对于保持斑马鱼脊柱笔直至关重要。他们发现，在缺乏血清素的鱼类体内，这种纤维依然形成并保持完整。脊柱之所以弯曲，并不是因为骨头断裂或纤维缺失；其骨骼的机械构造本身是健全的。
真正的起因在于鱼类的行为及其神经系统。研究人员发现，缺乏血清素的鱼类其脊髓内的特定神经细胞数量明显减少。这些细胞负责在局部释放血清素，以帮助控制运动。由于这种短缺，这些鱼变得过度活跃。它们游泳的时间更长且中间不间歇，在每次游泳活动之间的休息时间也缩短了。它们的游动速度没有改变，但运动模式改变了。它们始终处于运动状态，以一种健康鱼类不会的方式参与背部肌肉的活动。研究人员提出，这种持续且改变了的肌肉活动模式改变了作用于生长中脊柱的机械力。正如一棵在持续强风中生长的树最终会弯曲一样，这些鱼的脊柱由于其异常的游泳习惯而承受了不同的物理压力。随着时间的推移，这些力量导致最初笔直的脊柱发生了扭曲和弯曲。
这项研究为脊柱侧弯如何开始提供了一个引人注目的新视角。它表明，这种情况可能并非始于骨骼破碎，而是始于神经系统中一个微小的变化，这种变化改变了动物的运动方式。脊柱在生长过程中对所经历的力量非常敏感。如果控制运动的信号出了问题，机械环境就会发生变化，脊柱也会随之做出反应。这一发现挑战了长期以来认为脊柱侧弯纯粹是骨骼缺陷或松果体激素失衡的观点。相反，它指向了一种复杂的相互作用：大脑通过其对运动的控制来塑造骨骼。研究人员指出，这些神经细胞和行为的变化出现在任何可见的脊柱弯曲之前，这表明问题的根源在于对姿势和运动的神经控制受到了干扰。通过识别血清素是这一过程的关键调节因子，这项研究为理解为什么有些脊柱保持笔直而另一些则不然开辟了一条新路径，并暗示预防弯曲的关键可能在于理解那些告诉我们肌肉如何运动的信号。
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