宽脑袋有助于精子集体游泳

时间：2021-09-27 00:00:00 来源：网络整理

马里兰大学的研究人员利用机器学习发现，相对于长度而言，头部较宽的精子更有可能聚集在一起并集体游动，这是一种罕见的行为，有时有助于它们更快地到达卵子。这项研究为理解细胞的形态和功能与包括人类在内的所有动物的复杂行为之间的关系提供了一种新的方法。他们的研究结果于2021年9月22日发表在《proceedings of the Royal Society B》上。

“这真是一个形式与功能研究要求形状和如何行为相关联,但我们采取了一种新方法,利用机器学习做这些自动化的形态学分析。这些老鼠的精子有点像桨状，我们确定，桨状更宽的精子更有可能形成群体，合作游泳，”文章作者Kristin Hook说。

精子通常是单独的游泳者，但在少数物种中，精子彼此粘附并集体游动，直到接近卵子。Hook和她的同事推测，精子的形状是决定精子是单独游泳还是集体游泳的一个重要因素。但他们不知道哪些形状特征是重要的。

为了找到答案，他们观察了六种密切相关的老鼠的精子，其中一些有成群游动的精子，另一些有单独游动的精子。研究人员用一种细致而耗时的手工测量方法测量了精子头部的长度和宽度，然后使用了自动计算机系统。在验证计算机能够准确地执行测量后，他们将所有六种老鼠的精子细胞的高分辨率图像输入计算机系统，并要求它找出与精子社会行为最相关的显著特征。

现在，由于这项研究，研究人员知道宽度是一个重要的特征，他们可以开始调查它如何以及为什么会影响这些老鼠的精子行为。

“我们认为，可能有某种粘附机制将精子粘在一起，细胞越宽，粘附力越强，”该研究的合著者、密歇根大学生物学助理教授Heidi Fisher说。“我们真正想要找到的是造成这种情况的分子机制，是将细胞粘合在一起的粘附分子。但这只是第一步。识别与群体形成相关的细胞形状方面可以帮助我们缩小粘附分子的可能目标。”

为了进行这项研究的自动化测量和机器学习方面的工作，Fisher和Hook与密歇根大学物理系和物理科学与技术研究所的Wolfgang Losert教授以及他的实验室成员合作。

“这项工作最令人兴奋的方面之一是，我们能够结合来自校园的专业知识，提出一个关于生物学的有趣问题，”Fisher说。“如果我们没有与Wolfgang Losert的实验室合作，我的实验室就不可能完成这项工作中的自动形态测量学和机器学习方面的工作。所以，合作真的很重要。”

通过发布他们为该研究的自动测量和机器学习部分开发的代码，该团队希望其他研究人员能够应用相同的方法来理解其他形式的复杂细胞行为。

Losert说:“这项工作强调了数据分析专家和主题专家合作打破领域之间的障碍、推动知识边界的重要性。”

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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