寬腦袋有助于精子集體游泳

來源: 生物360 / 作者: 2021-09-27
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馬里蘭大學的研究人員利用機器學習發現,相對于長度而言,頭部較寬的精子更有可能聚集在一起并集體游動,這是一種罕見的行為,有時有助于它們更快地到達卵子。這項研究為理解細胞的形態和功能與包括人類在內的所有動物的復雜行為之間的關系提供了一種新的方法。他們的研究結果于 2021 年 9 月 22 日發表在《Proceedings of the Royal Society B》上。

“這真是一個形式與功能研究要求形狀和如何行為相關聯, 但我們采取了一種新方法, 利用機器學習做這些自動化的形態學分析。這些老鼠的精子有點像槳狀,我們確定,槳狀更寬的精子更有可能形成群體,合作游泳,” 文章作者?Kristin Hook 說。

精子通常是單獨的游泳者,但在少數物種中,精子彼此粘附并集體游動,直到接近卵子。Hook 和她的同事推測,精子的形狀是決定精子是單獨游泳還是集體游泳的一個重要因素。但他們不知道哪些形狀特征是重要的。

為了找到答案,他們觀察了六種密切相關的老鼠的精子,其中一些有成群游動的精子,另一些有單獨游動的精子。研究人員用一種細致而耗時的手工測量方法測量了精子頭部的長度和寬度,然后使用了自動計算機系統。在驗證計算機能夠準確地執行測量后,他們將所有六種老鼠的精子細胞的高分辨率圖像輸入計算機系統,并要求它找出與精子社會行為最相關的顯著特征。

現在,由于這項研究,研究人員知道寬度是一個重要的特征,他們可以開始調查它如何以及為什么會影響這些老鼠的精子行為。

“我們認為,可能有某種粘附機制將精子粘在一起,細胞越寬,粘附力越強,” 該研究的合著者、密歇根大學生物學助理教授 Heidi Fisher 說?!拔覀冋嬲胍业降氖窃斐蛇@種情況的分子機制,是將細胞粘合在一起的粘附分子。但這只是第一步。識別與群體形成相關的細胞形狀方面可以幫助我們縮小粘附分子的可能目標?!?/p>

為了進行這項研究的自動化測量和機器學習方面的工作,Fisher 和 Hook 與密歇根大學物理系和物理科學與技術研究所的 Wolfgang Losert 教授以及他的實驗室成員合作。

“這項工作最令人興奮的方面之一是,我們能夠結合來自校園的專業知識,提出一個關于生物學的有趣問題,”Fisher 說?!叭绻覀儧]有與 Wolfgang Losert 的實驗室合作,我的實驗室就不可能完成這項工作中的自動形態測量學和機器學習方面的工作。所以,合作真的很重要?!?/p>

通過發布他們為該研究的自動測量和機器學習部分開發的代碼,該團隊希望其他研究人員能夠應用相同的方法來理解其他形式的復雜細胞行為。

Losert 說:“這項工作強調了數據分析專家和主題專家合作打破領域之間的障礙、推動知識邊界的重要性?!?/p>

Kristin A. Hook, Qixin Yang, Leonard Campanello, Wolfgang Losert, Heidi S. Fisher. The social shape of sperm: using an integrative machine-learning approach to examine sperm ultrastructure and collective motility. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2021; 288 (1959): 20211553 DOI: 10.1098/rspb.2021.1553

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