《科学》杂志发表脑科学里程碑式突破——纳米级全脑光学成像技术

《科学》杂志

1月18日，《科学》杂志封面刊登《具有分子对比度和纳米级分辨率的皮质柱和全脑成像》文章，可对多个标本进行全脑比较甚至密集神经支配的神经回路成像，具有25纳米分辨率和更高蛋白质特异性对比度。学界认为该研究是脑科学里程碑式突破，研究由麻省理工学院、伯克利大学和哈佛大学合作完成。

一、背景

人类大脑是一个1.5千克的器官，虽然体积小，但包含了800多亿神经元，这些神经元通过复杂网络连接大约7000个突触。神经结构的范围大小超过7个数量级，并且由10000多种不同类蛋白质组成，构建和维持神经网络。电子显微镜和光学显微镜已在理解大脑复杂性方面取得巨大进展。电子显微镜能成像单独的离子通道和突触小泡。但是，电子显微镜产生灰度图像，其在特定亚细胞成分分割或特定神经元树枝化的追踪上仍具挑战性，很少能明确地识别特定蛋白质。光学显微镜用免疫荧光、荧光蛋白或荧光原位杂交组合来特异性识别蛋白表达模式，高灵敏地成像脑组织，但在密集神经追踪或分子的亚细胞结构的精确定位上分辨率不足。衍射-无限超分辨率荧光显微镜结合纳米尺度分辨率与蛋白质特异性对比，但漂白荧光团对大体积成像来说太快，使得该显微镜对单一黑色素瘤大脑成像就需要数月甚至数年。

为观察蛋白质在小鼠大脑皮层或整个果蝇大脑厚度间的纳米空间关系，包括神经元突触蛋白、轴突髓鞘化以及每个脑区多巴胺能神经元的突触前密度，研究团队采用扩张显微镜和晶格层光显微镜组合技术。这项技术能对神经发育、性别二态性以及行为或神经活动的结构相关性进行大规模研究。

二、研究方法

研究最初利用扩张显微镜，使用化学方法使大脑样本膨胀为原来4倍，创建了扩张的光学清晰的荧光样本体膜，保留了原始荧光标签的相对分布。为拍摄更大组织块，看到跨越数毫米甚至更多完整的神经回路，需要高速、高分辨率、成像前不破坏样本的显微镜，研究使用了诺贝尔化学奖Betzig教授的晶格层光显微镜，以三维方式对敏感活细胞的快速亚细胞动力学进行成像，最小光漂白速度足以在2~3天内对整个果蝇大脑或小鼠皮层厚度成像，两种显微技术的结合实现了快速大面积脑组织的详细成像。

三、研究过程

研究团队分为4个小组，小组1提供高质量的果蝇大脑样本；小组2负责样本扩展，在每个大脑中收集大约5万块数据，形成三维拼图；小组3负责图像的复杂计算拼接，处理所有图像细节；小组4分析200兆字节数据，研究1500多个神经元，对整个果蝇大脑神经元进行计数，制作生动电影。

研究团队对果蝇和老鼠的整个大脑皮层部分进行成像，扩张显微镜和晶格层光显微镜的组合方法可对任何蛋白质进行高速、高分辨率的可视能力，成像速度是其他方法的1000倍。与电子显微镜果蝇大脑成像所需的数年相比，该技术只需62.5小时就能完成小鼠数百万个神经细胞间的突触成像。组合成像方法每天可至少成像10个果蝇大脑，其成像速度和分辨率可帮助科学家探析更多问题，如男性和女性大脑的不同或同一类果蝇大脑回路如何变化等。

四、预期未来发展

目前，研究团队正进行新的晶格层光显微镜研究，希望实现整个人脑神经系统地图的快速绘制，精确度达到电脑模拟。该组合成像技术有望实现扫描人类整个大脑800多亿个神经元连接，可帮助脑科学领域建立更好的AI、行为解释以及解决脑疾病的起源问题。未来可用于追踪控制记忆形成和回忆电路，研究感官输入对特定行为的控制，分析情绪与决策等。

来源：《科学》杂志/图片来自互联网