今天，在Science的封面論文中，研究人員開(kāi)發(fā)出一種以超高的分辨率和速度對(duì)大腦進(jìn)行成像的新方法[1]。

使用這種方法，研究人員可以定位單個(gè)神經(jīng)元，跟蹤它們之間的連接，并在大量腦組織上可視化神經(jīng)元內(nèi)的細(xì)胞器[2]。除此以外，研究人員還成功對(duì)果蠅的大腦進(jìn)行了完整的成像，清晰度達(dá)到了納米級(jí)，而成像速度比其他技術(shù)快約1000倍[3]！

文章發(fā)表在《Science》

文章的通訊作者之一，Edward Boyden是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（The Howard Hughes Medical Institute，HHMI）的高級(jí)研究員。他曾這樣說(shuō)過(guò)，“我的長(zhǎng)期目標(biāo)是以足夠的精確度理解大腦[4]。”為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Boyden的小組一直夢(mèng)想著可以繪制一張?jiān)敿?xì)的大腦地圖。

可這并非易事??！

在人體中有超過(guò)800億個(gè)神經(jīng)元，其中每一個(gè)都會(huì)產(chǎn)生數(shù)千個(gè)連接。制作詳細(xì)的大腦地圖不僅需要觀察大腦的電活動(dòng)和化學(xué)信號(hào)，還需要繪制其神經(jīng)回路的布線圖。

這些地圖可以幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)腦部疾病的發(fā)生位置，建立更好的人工智能。“這就像神經(jīng)科學(xué)的圣杯！”Boyden說(shuō)[3]。

納米級(jí)大腦成像[1]

多年以前，Boyden的小組就有這樣的一個(gè)想法：如果他們可以讓大腦變得更大，大到足以看清內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，那會(huì)怎么樣？

于是研究人員就發(fā)明了一種方法，他們往大腦組織樣本中注射一種可溶脹凝膠，隨后凝膠吸水膨脹把大腦撐開(kāi)。不要以為這凝膠是什么神奇的東西，它其實(shí)類似于嬰兒尿布中的物質(zhì)！

這個(gè)看似“腦洞大開(kāi)”的想法，竟然在隨后的成像過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用！膨脹后的大腦組織更加松散，有利于進(jìn)行顯微觀察。更加重要的是，由于凝膠的作用，大腦中神經(jīng)細(xì)胞的相對(duì)位置可以被固定，并不會(huì)發(fā)生變化。

變大后的果蠅大腦（比例尺為500 μm）[1]

不過(guò)要對(duì)大量組織進(jìn)行成像并不容易。樣本越厚，越難以照亮想要看到的部分。如果單純?yōu)榱恕包c(diǎn)亮”而增強(qiáng)光源，不僅會(huì)帶來(lái)太多的光漂白（photobleaching）效應(yīng)，還會(huì)破壞掉科學(xué)家用來(lái)照亮細(xì)胞的熒光“燈泡”——用于標(biāo)記的熒光蛋白。

文章的第一作者Ruixuan Gao，麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）博士后表示，樣品的體積擴(kuò)大64倍后，成像的速度也變得至關(guān)重要?！拔覀冎繣ric Betzig教授有一臺(tái)非常棒的顯微鏡。”

Eric Betzig是加州大學(xué)伯克利分校（The University of California at Berkeley）的物理學(xué)和分子與細(xì)胞生物學(xué)教授。他因開(kāi)發(fā)了超分辨率熒光顯微鏡而獲得2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[5]。

Eric Betzig教授[5]

Betzig教授在HHMI的團(tuán)隊(duì)正使用“晶格層光顯微鏡”（lattice light-sheet microscope）對(duì)細(xì)胞進(jìn)行著成像。而這一臺(tái)顯微鏡正是Gao博士所指的那臺(tái)。

“一開(kāi)始我覺(jué)得這個(gè)想法有點(diǎn)粗糙，”Betzig教授這樣回憶道，“但我還是邀請(qǐng)他們嘗試。當(dāng)我看到這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量時(shí)，我簡(jiǎn)直不敢相信。我非常震驚，震驚到你用一根羽毛就可以推倒我！”

確實(shí)，Gao博士與Shoh Asano博士（另一名共同一作）通過(guò)結(jié)合“擴(kuò)大顯微技術(shù)”和“晶格層光顯微技術(shù)”，可以清晰地看到小鼠大腦組織神經(jīng)元上的樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)。

這種微小的結(jié)構(gòu)看起來(lái)像蘑菇，在瘦小的脖子上有球狀的腦袋。在過(guò)去，樹(shù)突棘的成像一直是一個(gè)難題。但是在這兩種顯微技術(shù)的合力下，研究人員們連“最細(xì)小的根部”都可以看到。

樹(shù)突棘的“森林“[1]

另外，研究人員還通過(guò)對(duì)小鼠軀體感覺(jué)皮層中的神經(jīng)元層進(jìn)行成像，來(lái)證明這項(xiàng)新技術(shù)的強(qiáng)大功能。他們專注于一種稱為錐體細(xì)胞的神經(jīng)元，這是神經(jīng)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的興奮性神經(jīng)元之一。

為了定位這些神經(jīng)元之間的突觸或連接，他們標(biāo)記了在細(xì)胞的突觸前和突觸后區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)。這也使他們能夠比較皮層不同部位的突觸密度。使用這種技術(shù)，可以在短短幾天內(nèi)分析數(shù)百萬(wàn)個(gè)突觸。

在過(guò)去的日子里，Gao博士與Shoh Asano博士，以及其他生物學(xué)家、顯微鏡專家、物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家合作，拍攝了大量的圖片，并對(duì)其進(jìn)行分析。

“這樣的合作就像是復(fù)仇者聯(lián)盟?！盙ao博士這樣說(shuō)。

研究人員表示，他們研究了超過(guò)1500個(gè)樹(shù)突棘，成像了保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞的髓鞘，標(biāo)記了所有多巴胺能神經(jīng)元，并統(tǒng)計(jì)了整個(gè)果蠅大腦中存在的突觸。

影片里，每一個(gè)小球都代表一個(gè)突觸。