MIT 科學家發明「大腦倍增術」，用以揭示大腦結構更多的細節

我們的大腦是如何產生思維記憶和感情的？雖然在過去的一百年里，針對人類大腦結構和工作原理的研究已經取得了很多進展，例如我們對大腦里神經系統有了一定的認識，在心理學方面也取得了一些研究成果，但是怎樣把這兩個領域結合在一起，了解腦迴路是怎麼產生出思想並做出決定的，這其中的奧秘依舊沒有被解開。

一直以來，生物學家都想通過觀察大腦神經網路的結構來破解人類思維活動的秘密，然而大腦本身卻不是一個合適觀察的器官——細胞與細胞之間排列組合錯綜複雜，即便是利用觀測解析度最高的共聚焦顯微鏡，科學家們也難以進行詳細的結構觀察。

而近日，MIT 的 Ed Boyden 教授和他的研究團隊發明了一種「大腦倍增術」，將大腦的結構「擴大」了 20 倍，讓神經學家能夠在普通的光學顯微鏡下，以極高的解析度觀察大腦結構，甚至能清晰地分辨出不同的突觸蛋白。

據了解，研究人員是利用一種叫做聚丙烯酸酯的材料來實現「大腦倍增術」的。這是一類高吸水性的分子，最常見的用途之一是嬰兒尿布，在吸收了嬰兒的尿液後，它的體積會擴大很多倍，其這一特性能被用來擴大大腦樣本的體積。

在這項實驗中，研究人員將大腦組織切片埋在了這類分子中，並用帶有熒光的標記分子去識別特定的蛋白靶點。等到這些標記分子就位後，研究人員用蛋白酶清除樣品中的蛋白質（包括那些讓組織粘連在一起的蛋白），然後給樣本加上了水。在吸收水分後，隨著吸水性材料的不斷膨脹，大腦樣本也隨之慢慢擴大。在此過程中，那些熒游標記分子依舊保持著各自相對的位置，從而反映了大腦樣本原有的結構。利用未被蛋白酶降解的標記分子留下的熒光，研究人員就能估算出大腦樣本擴大的倍數。

利用這種簡單的方法，研究人員將大腦模型在線性維度上擴大了 4.5 倍。這一看似微小的變化，能將解析度從幾百納米提高到 60 納米，在共聚焦顯微鏡下，原本模糊一片的樣品，變得非常清晰。

但既便如此，研究人員依舊不滿意，他們希望能夠繼續增加放大倍數的可能性。

不過，在後續的實驗中，研究人員發現，如果減少把這些吸水分子鏈接起來的交聯物，大腦的體積就能得到進一步擴大。這就好像較薄的氣球更容易被吹起來一樣，而容易吹起來的氣球也容易破，而這套擴大系統也有同樣的問題。如果減少這些交聯物，大腦結構會在膨脹的過程中變得不穩定，甚至是亂七八糟。

為了解決這一問題，研究人員用上了另一種特殊的凝膠——在大腦樣本隨著吸水分子的膨脹而倍增後，研究人員把這些樣本放到了特殊的凝膠里，讓凝膠去破壞原有吸水分子間的交聯。而這種凝膠的特性可以使大腦的結構依舊保持穩定。隨後，研究人員再次讓這些樣本膨脹，進一步放大它的尺寸。這樣一來，大腦樣本的尺寸能被額外擴大 4 倍左右，換句話說，普通大腦樣本的尺寸在線性維度上能被擴大到 20 倍左右，解析度達到了 25 納米。

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利用這套技術，研究人員不但能看到影響突觸內數百種蛋白結構的支架蛋白，更能清楚地觀察到神經遞質受體在突觸後細胞表面上的分布，這些觀察結果將有助於神經科學領域的最新研究。

「如果我們能重建出一個完整的大腦迴路，或許就能利用計算模型，了解大腦是如何產生感情或是做出決定的。當你了解到每一個生物分子的布局、細胞如何產生電信號、怎樣交換化學物質後，你就有能力去模擬整個大腦。」 Ed Boyden 教授解釋道。

儘管距離還原人類大腦結構還有很長的一段路要走，但 Boyden 教授認為，在不久的將來，他們有望從突觸的支架蛋白和信號蛋白入手，開始還原它們在大腦中的布局。

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