兩個(gè)高速電子顯微鏡，7062個(gè)腦切片， 2100萬張圖片，這些數(shù)字意味著什么？ 對于位于弗吉尼亞州的Howard Hughes醫(yī)學(xué)院的Janelia研究院的一組科學(xué)家來說，這些數(shù)字加起來是技術(shù)上的第一步：一張成年果蠅大腦的高分辨率數(shù)碼快照。 Davi Bock，神經(jīng)學(xué)家，該研究組的負(fù)責(zé)人 Janelia研究院的小組負(fù)責(zé)人，神經(jīng)學(xué)家Davi Bock說，研究人員現(xiàn)在可以在整個(gè)大腦中，追蹤任何一個(gè)神經(jīng)元到任何其他神經(jīng)元的路徑，他在2018年7月19日與他的同事一起在Cell雜志上報(bào)告了這項(xiàng)工作。 他說：“對果蠅大腦的繪制，從來沒有達(dá)到過如此高的分辨率，在這個(gè)分辨率下，你可以看到神經(jīng)元之間的連接?！?strong>這個(gè)細(xì)節(jié)是繪制大腦回路的關(guān)鍵——精確的神經(jīng)元連接網(wǎng)是支持果蠅特定行為的基礎(chǔ)。 Janelia研究院小組的數(shù)據(jù)為科學(xué)家們提供了一個(gè)新的工具來繪制這些連接圖譜。而且，在大腦的一個(gè)記憶中心，數(shù)據(jù)還揭示了一種新的細(xì)胞類型和其他驚喜。“每當(dāng)你看到分辨率更高和更完整的圖像時(shí)，你就會發(fā)現(xiàn)新事物?！?Bock說。 果蠅如何學(xué)習(xí)和記憶 果蠅（Drosophila melanogaster），因?yàn)樗鼈冊诔墒斓南憬吨車宋俗黜懚劽?。但Bock說，這些微小的昆蟲卻驚人地復(fù)雜?！八鼈兛梢詫W(xué)習(xí)和記憶。它們知道哪些地方是安全和哪些危險(xiǎn)的。它們擁有復(fù)雜的求偶和梳毛行為?！?/p> Bock想弄清楚這一切是如何運(yùn)作的。 果蠅的大腦大約有罌粟種子那么大，包含大約10萬個(gè)神經(jīng)元(人類有1000億)。每個(gè)神經(jīng)元分支成一個(gè)放射狀的細(xì)線結(jié)構(gòu)，來跟其他神經(jīng)元進(jìn)行連接。神經(jīng)元通過這些接觸點(diǎn)，或這說突觸，來相互溝通，形成密集的通訊網(wǎng)絡(luò)。 通過使用被稱為序列切片透射電子顯微鏡的成像技術(shù)，科學(xué)家們可以觀察這些線和突觸。首先，它們向果蠅的大腦注入重金屬混合物。這些金屬聚集在細(xì)胞膜和突觸中，最終標(biāo)記每個(gè)神經(jīng)元及其連接的輪廓。 然后，研究人員用電子束擊中了大腦的切片，電子束除了有金屬的部分外，其他地方都能穿過。Bock解釋說：“這就像X射線能穿過你的身體任何地方，除了骨頭?！?/p> 由此產(chǎn)生的圖像揭示了大腦曾經(jīng)隱藏的角落和裂縫。 加快速度 在歷史上，電子顯微鏡的使用一直是一個(gè)緩慢的過程。Bock說，十年前，根本不可能收集到觀察整個(gè)果蠅大腦所需的數(shù)百萬張圖像。“想象一下用iPhone拍2100萬張照片，”他說。“你需要坐著點(diǎn)擊幾十年?！?/p> 他和一組科學(xué)家開發(fā)了新的工具來加速這一過程。該小組使用高速相機(jī)和兩個(gè)定制的系統(tǒng)，以8微米的增量快速移動組織樣本，使它們能夠快速捕獲鄰近區(qū)域的圖像。 他們能夠在不到7分鐘的時(shí)間內(nèi)拍攝到整個(gè)腦切片—比之前的高通量透射電子顯微鏡相機(jī)陣列TEMCA 1（high-throughput transmission electron microscope camera array, TEMCA1）快5倍。Bock和他的同事們還得益于一個(gè)在Janeliia研究院建造出來的自定義機(jī)器人裝載機(jī)，它可以自動拾取和放置樣本。 Bock說，創(chuàng)造這種尖端技術(shù)是一項(xiàng)不小的成就。這項(xiàng)工作需要數(shù)十名Janelia研究院的神經(jīng)科學(xué)家、機(jī)械工程師和軟件開發(fā)人員以及約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）和分子生物學(xué)MRC實(shí)驗(yàn)室的工程顧問和科學(xué)家的合作。 在這些科學(xué)家之間進(jìn)行了長期的非正式合作之后，為了推動這項(xiàng)工作的完成，由Bock和Janelia研究院的軟件工程師Khaled Khairy共同管理的正式的Janelia的項(xiàng)目組于2016年成立。 Bock說，如果沒有整個(gè)團(tuán)隊(duì)，這項(xiàng)研究是不可能的。“這是一種‘只在Janelia’的企業(yè)?！?/p> 一個(gè)更細(xì)致的觀察 Bock的團(tuán)隊(duì)收集并拼接的數(shù)百萬張圖片，提供了一個(gè)深入觀察果蠅的大腦—以及探索未知區(qū)域的機(jī)會。 Bock的研究小組追蹤了到達(dá)蘑菇體的神經(jīng)元的路徑，蘑菇體是一個(gè)涉及記憶和學(xué)習(xí)的區(qū)域。這些細(xì)胞，被稱為嗅覺投射神經(jīng)元，以前用光學(xué)顯微鏡已經(jīng)有過很好的描述。手動跟蹤這些神經(jīng)元的輪廓和它們所有的線狀投射，讓Bock的團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了他們的圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
他說，“我們也碰到了一些有趣的新事物。” 嗅覺投射神經(jīng)元向被稱為Kenyon細(xì)胞的神經(jīng)元發(fā)送信息。反過來，這些細(xì)胞會與不同的神經(jīng)元群對話。直到現(xiàn)在，科學(xué)家們還沒有確定，在蘑菇體的一個(gè)叫做花萼（calyx）的區(qū)域中，Kenyon細(xì)胞的交流伙伴到底是誰。 Bock的團(tuán)隊(duì)找到了這些神經(jīng)元中的一些，以及一個(gè)以前未知的跨越大腦的神經(jīng)元，它也向Kenyon細(xì)胞轉(zhuǎn)送信息的。 Bock說，嗅覺投射神經(jīng)元似乎比科學(xué)家之前認(rèn)為的更緊密的捆綁在一起。這種捆綁表明，在之前曾經(jīng)被認(rèn)為基本上是隨機(jī)的東西中，存在著一種有序的結(jié)構(gòu)。 Bock說，更好地理解這種大腦環(huán)路可以讓科學(xué)家洞察果蠅的行為。他解釋說：“我們認(rèn)為它會告訴我們動物是如何學(xué)習(xí)的—它是如何將氣味與獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰聯(lián)系在一起的。” 現(xiàn)在，20多個(gè)實(shí)驗(yàn)室小組正在挖掘新的數(shù)據(jù)集，追蹤神經(jīng)元并勾勒出大腦的環(huán)路。Bock稱這些數(shù)據(jù)是一種資源，可以被神經(jīng)科學(xué)家們自由地挖掘來探索果蠅的思維。“它使我們用來理解這種動物的工具包中又增加了一個(gè)工具?！?/p> 用戶可以在這個(gè)地址下載果蠅大腦的數(shù)據(jù)集。 http://
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