《科學》雜誌發表腦科學裡程碑式突破——納米級全腦光學成像技術

《科學》雜誌

1月18日，《科學》雜誌封面刊登《具有分子對比度和納米級解析度的皮質柱和全腦成像》文章，可對多個標本進行全腦比較甚至密集神經支配的神經迴路成像，具有25納米解析度和更高蛋白質特異性對比度。學界認為該研究是腦科學裡程碑式突破，研究由麻省理工學院、伯克利大學和哈佛大學合作完成。

一、背景

人類大腦是一個1.5千克的器官，雖然體積小，但包含了800多億神經元，這些神經元通過複雜網路連接大約7000個突觸。神經結構的範圍大小超過7個數量級，並且由10000多種不同類蛋白質組成，構建和維持神經網路。電子顯微鏡和光學顯微鏡已在理解大腦複雜性方面取得巨大進展。電子顯微鏡能成像單獨的離子通道和突觸小泡。但是，電子顯微鏡產生灰度圖像，其在特定亞細胞成分分割或特定神經元樹枝化的追蹤上仍具挑戰性，很少能明確地識別特定蛋白質。光學顯微鏡用免疫熒光、熒光蛋白或熒光原位雜交組合來特異性識別蛋白表達模式，高靈敏地成像腦組織，但在密集神經追蹤或分子的亞細胞結構的精確定位上解析度不足。衍射-無限超解析度熒光顯微鏡結合納米尺度解析度與蛋白質特異性對比，但漂白熒光團對大體積成像來說太快，使得該顯微鏡對單一黑色素瘤大腦成像就需要數月甚至數年。

為觀察蛋白質在小鼠大腦皮層或整個果蠅大腦厚度間的納米空間關係，包括神經元突觸蛋白、軸突髓鞘化以及每個腦區多巴胺能神經元的突觸前密度，研究團隊採用擴張顯微鏡和晶格層光顯微鏡組合技術。這項技術能對神經發育、性別二態性以及行為或神經活動的結構相關性進行大規模研究。

二、研究方法

研究最初利用擴張顯微鏡，使用化學方法使大腦樣本膨脹為原來4倍，創建了擴張的光學清晰的熒光樣本體膜，保留了原始熒游標簽的相對分布。為拍攝更大組織塊，看到跨越數毫米甚至更多完整的神經迴路，需要高速、高解析度、成像前不破壞樣本的顯微鏡，研究使用了諾貝爾化學獎Betzig教授的晶格層光顯微鏡，以三維方式對敏感活細胞的快速亞細胞動力學進行成像，最小光漂白速度足以在2~3天內對整個果蠅大腦或小鼠皮層厚度成像，兩種顯微技術的結合實現了快速大面積腦組織的詳細成像。

三、研究過程

研究團隊分為4個小組，小組1提供高質量的果蠅大腦樣本；小組2負責樣本擴展，在每個大腦中收集大約5萬塊數據，形成三維拼圖；小組3負責圖像的複雜計算拼接，處理所有圖像細節；小組4分析200兆位元組數據，研究1500多個神經元，對整個果蠅大腦神經元進行計數，製作生動電影。

研究團隊對果蠅和老鼠的整個大腦皮層部分進行成像，擴張顯微鏡和晶格層光顯微鏡的組合方法可對任何蛋白質進行高速、高解析度的可視能力，成像速度是其他方法的1000倍。與電子顯微鏡果蠅大腦成像所需的數年相比，該技術只需62.5小時就能完成小鼠數百萬個神經細胞間的突觸成像。組合成像方法每天可至少成像10個果蠅大腦，其成像速度和解析度可幫助科學家探析更多問題，如男性和女性大腦的不同或同一類果蠅大腦迴路如何變化等。

四、預期未來發展

目前，研究團隊正進行新的晶格層光顯微鏡研究，希望實現整個人腦神經系統地圖的快速繪製，精確度達到電腦模擬。該組合成像技術有望實現掃描人類整個大腦800多億個神經元連接，可幫助腦科學領域建立更好的AI、行為解釋以及解決腦疾病的起源問題。未來可用於追蹤控制記憶形成和回憶電路，研究感官輸入對特定行為的控制，分析情緒與決策等。

來源：《科學》雜誌/圖片來自互聯網

軍事科學院軍事科學信息研究中心薛曉芳

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