大腦研究的新里程碑來了！

最新出版的Science雜志封面，報(bào)道了MIT和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）科學(xué)家們的最新成果，他們成功對果蠅的完整大腦進(jìn)行了成像，清晰度達(dá)到了納米級，而且只用了不到三天時(shí)間！

幾十年來，神經(jīng)科學(xué)家一直夢想繪制出一幅完整的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)地圖，包括人腦、老鼠和果蠅的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。有了這種能力，科學(xué)家就可以追蹤神經(jīng)元之間的聯(lián)系，進(jìn)而了解大腦是如何做出決定的。

利用電子顯微鏡對果蠅大腦的神經(jīng)元和突觸進(jìn)行全面測繪已經(jīng)花費(fèi)了10年的時(shí)間，數(shù)十人為此付出了努力。科學(xué)家們通過結(jié)合兩種最先進(jìn)的技術(shù)，膨脹顯微鏡(expansion microscopy)和晶格層光顯微鏡(lattice light-sheet microscope)，新的大腦測繪速度提高了1000倍。

值得注意的是，發(fā)明了晶格層光顯微術(shù)的Eric Betzig教授獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這次登上Science封面的論文，也有Eric Betzig的名字。

Eric Betzig教授

論文的通訊作者M(jìn)IT教授Edward S. Boyden五年前發(fā)明了膨脹顯微鏡，并在2018年獲得了有諾貝爾風(fēng)向標(biāo)稱號的加拿大蓋爾德納獎(jiǎng)（Canada Gairdner International Award）。

Edward S. Boyden教授

這篇論文堪稱是兩個(gè)頂級研究團(tuán)隊(duì)“珠簾合璧”的力作。

納米級觀察大腦：4000萬個(gè)突觸一覽無余

電子顯微鏡一直是研究大腦的利器，這也是幾代人努力之后探索出來的一條道路。不過，使用電子顯微鏡，需要花費(fèi)多年的時(shí)間才能獲得果蠅的大腦圖像。

Science最新一期的封面，介紹了一種新的大腦掃描技術(shù)，能讓任何人看清果蠅大腦的4000萬個(gè)突觸，其中神經(jīng)元相互連接。

MIT的研究人員開發(fā)了一種對腦組織進(jìn)行大規(guī)模3D成像的方法，他們描繪了果蠅的整個(gè)大腦。 來源: MIT

這項(xiàng)研究的里程碑意義在于，這張覆蓋整個(gè)果蠅大腦的3D地圖顯示出直徑只有60納米的細(xì)節(jié)，而且只用了不到三天時(shí)間，果蠅大腦中不同的神經(jīng)細(xì)胞，甚至蛋白質(zhì)在空間上的相對分布都能夠看到，這對基礎(chǔ)科研意義重大。

雖然其細(xì)節(jié)水平不如電子顯微鏡觀察到的那么好，但通過計(jì)算突觸，神經(jīng)科學(xué)家可以判斷神經(jīng)連接的強(qiáng)度，比如那些負(fù)責(zé)記憶的神經(jīng)連接。

2014年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的Eric Betzig教授說，一天至少能掃描10個(gè)果蠅的大腦，這樣的快速和高分辨率將促使科學(xué)家們提出新的問題，比如雄性和雌性果蠅的大腦有哪些差異，或者同種果蠅的大腦回路有什么差別。

并且，這只是昆蟲大腦復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接的超分辨率視圖，這些網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成了從進(jìn)食到交配的各種行為的基礎(chǔ)，今后，掃描更高級生物的大腦，是不是可以期待一下呢？

膨脹顯微鏡和晶格層光顯微鏡珠簾合璧之作

MIT的Edward Boyden教授在五年前發(fā)明膨脹顯微鏡(expansion microscopy)，他說：“我們不僅僅是在逐步掃描更多的腦組織，我們是在掃描整個(gè)大腦。這就是我們?nèi)绱伺d奮的原因。”

小鼠初級軀體感覺皮層中的錐體神經(jīng)元(橙色部分)，與突觸后蛋白Homer1相關(guān)的樹突棘用黃色突出顯示。來源: MIT

膨脹顯微鏡(ExM)的原理是將組織樣本包埋在一種吸水膨脹的聚合物中，使得組織像氣球一樣膨脹，同時(shí)能保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置不變，然后用常規(guī)顯微鏡對大塊腦組織進(jìn)行了超高分辨率的蛋白質(zhì)成像。它使用的是類似尿不濕里的聚丙烯酰胺凝膠，這種凝膠在從鹽水轉(zhuǎn)移到純凈水的過程中會(huì)膨脹。

將果蠅的大腦擴(kuò)大到正常大小的四倍后，科學(xué)家們利用晶格層光顯微鏡對所有多巴胺能神經(jīng)元(綠色)進(jìn)行成像。來源：Credit: Gao et al./Science 2019

晶格層光顯微鏡(LLSM)則使用高度聚焦的光束，一次一個(gè)薄片地快速合成一個(gè)樣本的三維圖像。

Betzig說：“（Boyden）他們2016年第一次來找我時(shí)，我還是充滿懷疑的；我擔(dān)心的是，首先，你是否可以使大腦組織這樣的東西理想地膨脹，而不讓它產(chǎn)生扭曲。然后我擔(dān)心，盡管樣品是透明的，它們還是會(huì)像玻璃球那樣扭曲光線。”

瀏覽果蠅大腦的高分辨率3D圖像。這些彩色的球代表了大腦中神經(jīng)元的一個(gè)子集上突觸的密度，即那些對多巴胺有反應(yīng)的神經(jīng)元。這些彩色小球總共繪制了整個(gè)大腦的4000萬個(gè)突觸其中50萬個(gè)突觸的位置，紅色表示突觸密度最高，紫色表示突觸密度最低。不同的大腦結(jié)構(gòu)被突出顯示。

果蠅大腦橢球體中的多巴胺能神經(jīng)元，用3D深度進(jìn)行顏色編碼。來源：MIT

該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)由MIT Boyden實(shí)驗(yàn)室的博士后Ruixuan Gao和 Shoh Asano，以及哈佛醫(yī)學(xué)院的Srigokul Upadhyayula帶領(lǐng)，他們發(fā)現(xiàn)，在將腦組織膨脹4倍，體積增大到64倍后，它就幾乎和水一樣清澈，不會(huì)產(chǎn)生變形。

Boyden說：“我很驚訝地發(fā)現(xiàn)，它的清晰度是如此完美，呈現(xiàn)出令人難以置信的光學(xué)均勻性。”

結(jié)果，這種晶格層光顯微鏡能夠在單個(gè)突觸的水平上拍攝出一張非常詳細(xì)且精確的大腦圖像：分辨率達(dá)到約60納米，僅為電子顯微鏡分辨率的十分之一。多色成像只需62.5小時(shí)。

我們的征程是星辰大“腦”

不過，Betzig預(yù)測，隨著膨脹顯微鏡技術(shù)的改進(jìn)——一些科學(xué)家已經(jīng)能在每個(gè)方向?qū)⒔M織伸長25倍——這種結(jié)合技術(shù)在繪制大腦中所有神經(jīng)連接方面可以取得幾乎和電子顯微鏡一樣好的結(jié)果。

“如果你能讓它在10倍或15倍的膨脹程度有效運(yùn)作，科學(xué)家可能就會(huì)拋棄電子顯微鏡了。電子顯微鏡做密集神經(jīng)跟蹤也很好，但我們的技術(shù)要快得多，也便宜得多。我認(rèn)為他們需要擔(dān)心。盡管現(xiàn)在還不能取代電子顯微鏡，但在我看來，是有這種潛力的。”

每一次完整的掃描，總計(jì)產(chǎn)生接近10TB的數(shù)據(jù)，然后由計(jì)算機(jī)組合成一個(gè)可以像視頻游戲一樣導(dǎo)航的3D圖像。

通過將熒光標(biāo)記物附著到大腦中的蛋白質(zhì)上，就有可能繪制出神經(jīng)元和其他細(xì)胞的外膜、一個(gè)神經(jīng)元與另一個(gè)神經(jīng)元連接的突觸、腦細(xì)胞的內(nèi)部隔間，等等。

一小部分錐體神經(jīng)元(黃色)，以及與小鼠初級軀體感覺皮層中神經(jīng)元相關(guān)的突觸前(青色)和突觸后(洋紅色)蛋白質(zhì)對。來源：MIT

這一研究為神經(jīng)科學(xué)帶來了極為重要的研究工具，幫助科學(xué)家們理解不同的神經(jīng)環(huán)路如何組成，性別對大腦有怎樣的影響，疾病又會(huì)怎樣破壞大腦等等。

研究團(tuán)隊(duì)不僅對果蠅的整個(gè)大腦進(jìn)行了測試，還對老鼠大腦皮層上幾毫米厚的一個(gè)薄片組織進(jìn)行了測試，結(jié)果類似。

人類的大腦有800億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元可能有7000個(gè)突觸，這或許是團(tuán)隊(duì)的新挑戰(zhàn)。