今日《科学》封面:纳米级清晰度看大脑是怎样一种体验?(附视频)

▎学术经纬/报道

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今日对于研究大脑的科学家们来说,是具有里程碑意义的一天。在最新出版的《科学》杂志上,由麻省理工学院(MIT)和霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的科学家们领衔的一支团队,成功对果蝇的完整大脑进行了成像,清晰度达到了纳米级!这让我们能够看清大脑中,不同的神经细胞,乃至蛋白质在空间上的相对分布,对基础科研有着极为重要的意义。

这一重磅研究,也登上了本期《科学》的封面。

婴儿尿布与大脑研究

本研究的通讯作者之一是MIT的知名科学家Edward S. Boyden教授。他最初因在光遗传学上的研究而闻名于世,最近几年则在大脑成像领域有着诸多突破性的贡献。2015年,他获得了有“科学界奥斯卡”之称的“科学突破奖”(Breakthrough Prize)。2018年,他也获得了有诺贝尔风向标称号的盖尔德纳奖。

▲Edward S. Boyden教授是本研究的通讯作者之一(图片来源:Edward S. Boyden教授课题组)

在2015年左右,Boyden教授团队向解析大脑的高清结构发起了冲锋,目标是理清大脑在细胞、乃至蛋白层面上如何进行组合。为了实现这一目标,科学家们开发了一种看起来很有趣的研究方法:他们首先往大脑组织样本中注射一种胶状物质,随后让这些凝胶吸水膨胀,把大脑撑开。

从原理上看,这和婴儿尿布中的材料吸水膨胀,有着异曲同工之妙。

这种看起来简单的方法,在解析大脑结构中扮演了重要的角色。在长、宽、高的维度上膨胀扩大2倍,整个体积就会扩大8倍。由于膨胀后的大脑组织更为松散,对其进行显微观察就成为了可能。更关键的是,大脑样本中的这些神经细胞,相对位置被凝胶所固定,并不会发生变化。

▲果蝇大脑的扩大过程(图片来源:参考资料[1])

正是因为这一突破,针对特定的大脑细胞或小型大脑区域,我们已经获得了不少“高清地图”。

两种显微技术的合力

在体积较小的大脑样本中取得的成功,并不一定能被复制到大型脑组织里。这是因为样本的体积越大,就越难对深埋其中的特定部分进行成像。如果单纯为了“点亮”而增强光源,还会破坏用于做标记的荧光蛋白。可以说,这是一个两难。

此外,大型脑组织在膨胀扩大之后,如何对整个结构进行快速的扫描成像,也就成了一个难题。“我们需要能够快速成像,不会带来太多光褪色(photobleaching)效应的显微镜”,本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士说道。而他们知道,HHMI的Eric Betzig教授课题组中,就有这么一台高级的显微镜。

▲本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士(图片来源:Edward S. Boyden教授课题组)

Betzig教授的显微镜叫做“晶格层光显微镜”(lattice light-sheet microscope)。它每次只会照亮超级薄的一层样本,将对样本的损害降到了最低。此外,它也能快速对样本进行成像,这正是研究人员们所需要的技术。

顺便一提,由于在显微成像技术上的突破,Betzig教授曾获得2014年的诺贝尔化学奖。

▲Betzig教授是2014年诺贝尔化学奖得主之一(图片来源:诺贝尔奖官方网站)

这名诺奖得主起初并不相信他的显微镜能提供多少帮助,但他依然大度地邀请研究人员们前去尝试。

Ruixuan Gao博士与另一名共同一作Shoh Asano博士带去了一些经过膨胀扩大的小鼠大脑组织,在晶格层光显微镜下进行观察。通过结合“扩大显微技术”和“晶格层光显微技术”,他们看到了神经元上的许多树突棘结构。这种微小的结构看起来就像是蘑菇,有着庞大的头部,以及细长的根部。过去,树突棘的成像一直是一个挑战。然而在两种显微技术的合力下,研究人员们连“最细小的根部”都可以看到。

▲研究人员们看到了树突棘的“森林”(图片来源:参考资料[1])

“我简直不敢相信数据的质量,” Betzig教授说道:“用一根羽毛,你就可以把(震惊的)我推倒。”

畅游果蝇的大脑

在惊人的图像质量面前,两支科研团队迅速达成合作。在两年多的时间里,Ruixuan Gao博士与Shoh Asano博士,以及其他生物学家,显微镜专家,以及计算机专家一道,拍摄了大量的图片,并对其进行分析。

“我们就像是复仇者联盟。” Ruixuan Gao博士这样评论他们的合作关系。

▲看清大脑结构,一直是科研人员们的梦想(图片来源:参考资料[1])

这些研究带来的最大亮点之一,就是对完整果蝇大脑的成像分析。从每个果蝇大脑中,科学家们都获得了大约50000个立体图像。随后,计算机就像是做三维拼图一般,把这些立体图像拼成一个完整的果蝇大脑。

研究人员们说,他们研究了超过1500个树突棘,观察了保护神经细胞的髓鞘,标出了所有的多巴胺能神经元,并数清了整个果蝇大脑中存在的突触。

以下是研究人员们给我们带来的一段精彩影片,让我们在果蝇的大脑中飞翔。影片里,每一个小球都代表一个突触。

视频来源:VIDEO FOOTAGE COURTESY OF HHMI, POSTPRODUCTION BY UC BERKELEY

这些图像的清晰度高达60纳米,成像过程不超过3天。随着效率不断提高,将来,我们有望在一天之内就对10个果蝇大脑进行立体成像。

“我们能用极快的速度,对非常大体积的样本进行分析,获得高清的图像。”Boyden教授说道。

这一研究为神经科学带来了极为重要的研究工具。它让我们可以理解不同的神经环路如何组成,性别对大脑有怎样的影响,疾病又会怎样破坏大脑。

对研究神经科学的生物学家来说,这可能是最好的时代。

参考资料:

[1] Ruixuan Gao et al. (2019), Cortical column and whole-brain imaging with molecular contrast and nanoscale resolution, Science, DOI: 10.1126/science.aau8302

[2] How to rapidly image entire brains at nanoscale resolution, Retrieved January 17, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/hhmi-htr011119.php

[3] Mapping the brain at high resolution, Retrieved January 17, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/miot-mtb011519.php

[4] Three-day imaging captures hi-res, cinematic view of fly brain, Retrieved January 17, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/uoc–tic011619.php

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