现代生物医学研究越来越精细。
研究人员可以研究某一种神经元，可以分析肝细胞中的代谢变化，也可以检测血管平滑肌对缺氧的反应。但问题在于，生物体并不是许多彼此独立器官的简单组合。
当一条鱼开始游动时，发生变化的不只是骨骼肌。
神经系统发出运动指令，肌肉收缩改变身体的机械状态，血流发生调整，一些非神经细胞也会随之改变活动。类似地，当氧气不足时，肠道、血管、交感神经和脑干可能在几秒到几分钟内共同参与一套系统性的生理反应。
传统实验往往一次观察一个组织，或者只记录少数预先选定的细胞类型。
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如果事先不知道该看哪里，我们很可能根本看不到那个关键环节。 |
WHOLISTIC 想解决的正是这个问题——先尽可能广泛地记录全身细胞活动，再从数据中寻找那些此前并不知道存在的联系。
研究团队选择了幼年斑马鱼作为主要模型。
原因很直接：幼年斑马鱼身体透明，同时具有脑、肝脏、胰腺、肾脏、肠道、肌肉、心血管系统等脊椎动物共有的器官系统，非常适合开展活体全身成像。
研究人员构建了一种泛细胞表达的转基因斑马鱼，让遗传编码钙指示器（genetically encoded calcium indicator）GCaMP7f 在身体中广泛表达。
为什么是钙离子（Ca²⁺）？
因为细胞内钙信号参与神经元放电、肌肉收缩、分泌、代谢调节以及大量细胞信号过程。它并不等同于“所有细胞功能”，但可以作为一种覆盖范围非常广的细胞活动指标。
随后，研究人员把高速三维荧光成像、图像配准、细胞分割、机器学习和功能聚类整合到了一套流程中。
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典型成像视野约为 800 μm × 600 μm，深度约 130 μm，三维体积扫描大约每 3 秒完成一次。 |
这件事技术上并不简单。
脑组织中的细胞位置相对稳定，而腹腔中的组织会随着肌肉运动、肠道活动发生复杂形变。如果不能把不同时间点的同一个细胞准确对应起来，后续看到的所谓“动态”很可能只是组织移动产生的假象。
为此，研究团队开发了基于光流估计（optical flow）的非刚性配准方法，对组织运动进行校正，再从校正后的三维影像中提取细胞活动。
最终得到的不再是某一个器官的一条曲线，而是大量不同组织细胞随时间变化的活动轨迹。
而一个颇值得注意的发现是：即使没有特定外部刺激，身体中大多数被检测到的细胞群也表现出可检测的、随时间变化的钙活动。
换句话说，静止状态下的身体，在细胞层面并不“安静”。
当研究人员不再按照传统解剖学标签划分细胞，而是根据活动模式进行聚类时，一个有意思的现象出现了。
在斑马鱼肾单位（nephron）中，研究人员首先获得了 1,265 个细胞尺度的功能片段，随后根据钙活动的时间结构，将其聚成 11 个功能组织单元（functional tissue ensembles）。
这些区域并不是彼此独立活动。
钙信号会沿着肾单位依次传播，形成明显的传播波（travelling wave），而且这些波并非持续存在，而是以一阵一阵的形式出现，中间夹杂相对静息阶段。
这是一个很值得继续验证的现象。
传统上，肾脏滤过和管腔内流动常被理解为较为连续的过程。但这组结果提示，在更短时间尺度上，至少部分肾单位活动可能具有间歇性和脉冲性特征。
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需要强调的是，这里观察到的是钙活动的传播模式。它提示肾单位功能可能存在此前未被充分认识的时间结构，但并不能仅凭钙信号直接证明肾小球滤过本身就是周期性脉冲过程。论文作者也明确将这一解释作为需要进一步实验检验的假设。 |
这恰恰说明全身动态成像的价值：它未必立即给出答案，却可以暴露过去根本没有进入研究视野的问题。
骨骼肌似乎已经是研究得非常充分的组织。
但当 WHOLISTIC 根据肌肉钙活动重新进行功能聚类时，研究人员发现，位于背侧前部的一部分轴上肌并没有简单地跟随主要轴上肌同步活动。
这个区域被称为颈部轴上肌（cervical epaxial muscle，C-epax）。
它的活动反而更接近腹部肌肉。
在 5 条鱼的分析中，这种活动关联具有统计学差异，P = 0.03125。
随后，研究人员进一步追踪运动神经。
结果发现，大部分轴上肌和轴下肌主要由脊神经支配，而颈部轴上肌还接受来自脊枕神经（spino-occipital nerve）的神经支配。
这为它能够形成相对独立的活动模式提供了解剖学基础。
这里最值得注意的并不只是发现了一组新的肌肉协同关系，而是研究策略发生了变化：
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过去通常是先定义一个结构，再研究它的功能； 现在则可以反过来，先根据全身活动模式发现一个功能单元，再回头寻找它的解剖基础。 |
接下来，研究人员提出了一个更复杂的问题：
当动物运动时，身体其他组织会发生什么？
通过分析骨骼肌活动与全身细胞钙信号之间的时间关系，研究人员发现，与运动相关的变化广泛出现在脑、皮肤上皮、脊索、鳃以及其他组织中。
其中一个尤其有意思的群体位于后脑和脊髓中线附近。
这些细胞在运动结束后仍然保持大约 15 秒的较长时间响应，与快速响应的神经元并不相同。
进一步使用细胞类型特异性转基因模型后，研究团队确认这些细胞属于室管膜细胞（ependymal cells）。
更有意思的是，运动越强，室管膜细胞的钙反应越明显。
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在单次运动事件分析中，肌肉活动强度能够解释约 80% 的室管膜细胞活动变化。 |
这提示室管膜细胞可能并不是单纯负责衬垫脑室和中央管的静态结构。
它们似乎能够感知或整合身体运动相关信息。
如果说运动状态已经足够复杂，那么动物长时间不动时发生的变化更加出人意料。
研究人员专门分析了持续 10 分钟以上的运动静息期。
此时，后脑和脊髓中线区域出现了一种高幅度、极慢的钙振荡。
一个周期大约需要 3～7 分钟。
而在运动活跃阶段，这种慢振荡会明显减弱甚至消失。对同时出现两种状态的 6 条鱼进行比较，差异达到统计学显著，P = 0.016。
最初，这些信号来自哪里并不清楚。
神经元特异性和星形胶质细胞特异性成像都没有重现这种活动模式。
最终，细胞类型特异性实验确认，信号仍然来自室管膜细胞。
但这里又出现一个问题。
信号最明显的位置距离脑室和中央管并不近，而室管膜细胞通常被认为位于这些结构周围。
研究人员于是开发并使用了全身扩增显微镜（whole-body expansion microscopy，WB-ExM）。这一方法可以使样本实现最高约 5 倍的较均匀扩增，从而在全身尺度获得更精细的亚细胞结构信息。
结果发现，后脑中的室管膜细胞并不仅仅是小型立方状细胞。
它们可以向腹侧伸出大约 120 μm 的长突起，一直延伸至脑底部，形成片状结构。
于是，之前看似矛盾的“信号位置”与“细胞位置”终于对应了起来。
更进一步，这些室管膜细胞的慢钙活动还能在局部传播，相互协调区域的典型空间尺度约为 75 μm。
论文提出了一种可能性：这些状态依赖性的慢振荡或许与脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）交换变化有关。
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但这一点目前仍属于机制推断，而不是已经被直接证明的因果结论。 |
整项研究中最能体现“全身生理学”价值的实验之一，是缺氧。
研究人员让斑马鱼交替处于约 21% O₂ 的正常氧环境和 10% O₂ 的低氧环境中，每个阶段持续约 15 分钟。
缺氧发生后，肠道、肝脏和肾脏等内脏组织的基础钙水平发生明显变化。
与此同时，研究人员注意到肠系膜动脉开始收缩。
进一步检测显示，低氧状态下肠系膜动脉直径显著下降，3 条鱼、每条至少 3 次实验得到 P = 0.00097。
而直接观察红细胞运动后，一个更明显的现象出现了：
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流向肠道的血流接近完全停止。 |
恢复正常氧水平后，肠道血流又重新恢复。
相比之下，脑和肌肉的血流总体保持相对稳定。
这意味着缺氧发生后，身体并不是让所有组织平均承担氧供应不足，而是迅速进行了血流重新分配。
单纯看到血管收缩，并不能说明控制信号来自哪里。
于是研究人员首先使用麻醉剂抑制神经系统。
此时，缺氧引起的内脏血流下降不再明显。
随后，他们进一步采用光遗传学（optogenetics）抑制后脑神经活动。
结果非常直接：
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即使外界仍然处于缺氧状态，只要抑制后脑，肠道血流在数秒内就可以恢复，并在后脑持续受到抑制时维持接近正常水平。 |
这一效应在 4 条鱼、每条 3 次实验、每条鱼检测 4 条血管的分析中非常显著，后脑抑制条件下 P = 2.0 × 10⁻⁹；而控制刺激的 P = 0.56。
与此同时，研究人员还找到了一群在低氧状态下持续激活的交感神经元。
细胞类型特异性成像以及扩增显微镜进一步显示，这些神经元的轴突沿着肠系膜动脉分布。
于是，一条此前只能分散观察的调控链条开始变得清晰：
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缺氧 → 后脑活动 → 交感神经通路 → 肠系膜血管收缩 → 肠道血流下降。 |
需要区分的是，论文已经通过光遗传学证明后脑活动对于缺氧时肠系膜血流下降是必要的；但这种血流重新分配是否主要是为了“优先保证脑等重要组织的氧供应”，仍属于符合生理逻辑的解释，而不是该实验直接证明的最终目的。
这一区分很重要。
WHOLISTIC 还发现了软骨细胞对低温的反应、脑膜区域细胞对氯胺酮的反应，以及脑干—内脏、肌肉—其他组织之间多种此前没有被系统描述的动态联系。
这些结果来自同一套实验框架。
这意味着研究者以后面对一种疾病、一个药物或者一种生理应激时，问题可能不再只是：
“它对这个器官有什么影响？”
而可以进一步追问：
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它首先改变了哪些细胞？这种变化如何传播？哪些器官随后响应？谁在控制谁？如果人为干预其中一个节点，全身网络会怎样重新组织？ |
这可能是 WHOLISTIC 更值得关注的地方。
它把研究单位从单个细胞、单个组织进一步扩展到了细胞尺度的全身功能网络。
这项研究仍有几个重要局限。
首先，WHOLISTIC 当前主要检测的是钙信号。钙是非常重要的细胞信号，但细胞间的信息传递还包括膜电位、代谢状态、激素、ATP、神经调质以及机械信号。因此，它记录的是全身生理活动的一个重要维度，而不是全部。
其次，这项工作的核心模型仍然是透明的幼年斑马鱼，并在透明的成年 Danionella cerebrum 中进行了概念验证。如何将类似策略推广到体型更大、组织不透明的脊椎动物，是一个明显的技术挑战。
第三，目前动物主要处于固定成像条件下，而不是自由运动状态。研究人员也明确提出，未来需要发展自由行为条件下的全身细胞成像。
更重要的是，“相关”与“因果”仍然必须区分。
WHOLISTIC 可以非常高效地发现两个组织之间同步或延迟的动态联系，但这种统计耦合本身并不等于一个组织控制另一个组织。论文中之所以能够较有说服力地建立脑干—内脏通路，正是因为研究人员在发现相关关系之后，又使用细胞类型特异性成像、扩增显微镜和光遗传学进行了逐层验证。
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全身筛查适合发现问题，因果干预才负责验证机制。 |
过去几十年，生命科学不断把研究对象拆得更细。
从器官，到组织，到细胞，再到单细胞转录组和单分子。
这种还原式研究极大推动了现代生物医学，但生命本身最终仍然运行在一个完整的个体中。
一个神经元的活动可能改变一条血管的直径；一块肌肉的收缩可能改变远处非肌肉细胞的状态；几分钟一次的室管膜细胞钙波，可能只会在动物长时间静息时出现；缺氧发生后的几秒钟内，脑干就能够重新安排不同器官获得的血流。
如果只观察其中一个器官，这些联系很容易消失在视野之外。
WHOLISTIC 的意义，因此不仅在于它提供了一套新的成像技术。
它更像是在提醒我们：
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细胞是生命活动的基本单位，但“个体”才是生理调控真正发生的尺度。 |
未来，当全身动态成像能够进一步结合膜电位、代谢物、激素、神经调质以及基因表达信息，并与人工智能驱动的动态模型相结合时，我们或许可以从一张张静态的“细胞图谱”，逐渐走向另一类图谱——
一个能够描述细胞、器官与全身状态如何随时间相互作用的动态生理图谱。
而那时，我们研究疾病的方式也可能随之改变：不再只是寻找“哪个分子坏了”，而是进一步理解，一个局部异常究竟如何沿着全身网络传播，并最终让整个生理系统偏离正常状态。
参考文献
