今天關于研討大腦的科學家們來說，是具有里程碑含義的一天。在最新出書的《科學》雜志上，由麻省理工學院（MIT）和霍華德·休斯醫學研討所（HHMI）的科學家們領銜的一支團隊，成功對果蠅的完好大腦進行了成像，清晰度達到了納米級！這讓咱們能夠看清大腦中，不同的神經細胞，甚至蛋白質在空間上的相對散布，對根底科研有著極為重要的含義。

這一重磅研討，也登上了本期《科學》的封面。

 

嬰兒尿布與大腦研討

本研討的通訊作者之一是MIT的聞名科學家Edward S。 Boyden教授。他開始因在光遺傳學上的研討而聞名于世，最近幾年則在大腦成像范疇有著許多打破性的奉獻。2015年，他取得了有“科學界奧斯卡”之稱的“科學打破獎”（Breakthrough Prize）。2018年，他也取得了有諾貝爾風向標稱謂的蓋爾德納獎。

Edward S。 Boyden教授是本研討的通訊作者之一（圖片來歷：Edward S。 Boyden教授課題組）

在2015年左右，Boyden教授團隊向解析大腦的高清結構發起了沖擊，方針是理清大腦在細胞、甚至蛋白層面上怎么進行組合。為了完成這一方針，科學家們開發了一種看起來很風趣的研討辦法：他們首先往大腦安排樣本中打針一種膠狀物質，隨后讓這些凝膠吸水脹大，把大腦撐開。

從原理上看，這和嬰兒尿布中的資料吸水脹大，有著異曲同工之妙。

這種看起來簡略的辦法，在解析大腦結構中扮演了重要的人物。在長、寬、高的維度上脹大擴展2倍，整個體積就會擴展8倍。因為脹大后的大腦安排更為松懈，對其進行顯微調查就成為了或許。更要害的是，大腦樣本中的這些神經細胞，相對方位被凝膠所固定，并不會發生變化。

果蠅大腦的擴展進程（圖片來歷：參考資料[1]）

正是因為這一打破，針對特定的大腦細胞或小型大腦區域，咱們現已取得了不少“高清地圖”。

兩種顯微技能的合力

在體積較小的大腦樣本中取得的成功，并不一定能被復制到大型腦安排里。這是因為樣本的體積越大，就越難對深埋其間的特定部分進行成像。假如單純為了“點亮”而增強光源，還會損壞用于做符號的熒光蛋白。能夠說，這是一個兩難。

此外，大型腦安排在脹大擴展之后，怎么對整個結構進行快速的掃描成像，也就成了一個難題。“咱們需求能夠快速成像，不會帶來太多光褪色（photobleaching）效應的顯微鏡”，本研討的一起榜首作者Ruixuan Gao博士說道。而他們知道，HHMI的Eric Betzig教授課題組中，就有這么一臺高檔的顯微鏡。

本研討的一起榜首作者Ruixuan Gao博士（圖片來歷：Edward S。 Boyden教授課題組）

Betzig教授的顯微鏡叫做“晶格層光顯微鏡”（lattice light-sheet microscope）。它每次只會照亮超級薄的一層樣本，將對樣本的危害降到了最低。此外，它也能快速對樣本進行成像，這正是研討人員們所需求的技能。

趁便一提，因為在顯微成像技能上的打破，Betzig教授曾取得2014年的諾貝爾化學獎。

Betzig教授是2014年諾貝爾化學獎得主之一（圖片來歷：諾貝爾獎官方網站）

這名諾獎得主起先并不信任他的顯微鏡能供給多少協助，但他仍然大度地約請研討人員們前去測驗。

Ruixuan Gao博士與另一名一起一作Shoh Asano博士帶去了一些經過脹大擴展的小鼠大腦安排，在晶格層光顯微鏡下進行調查。經過結合“擴展顯微技能”和“晶格層光顯微技能”，他們看到了神經元上的許多樹突棘結構。這種細微的結構看起來就像是蘑菇，有著巨大的頭部，以及細長的根部。曩昔，樹突棘的成像一直是一個應戰。然而在兩種顯微技能的合力下，研討人員們連“最細微的根部”都能夠看到。

研討人員們看到了樹突棘的“森林”（圖片來歷：參考資料[1]）

“我幾乎不敢信任數據的質量，” Betzig教授說道：“用一根茸毛，你就能夠把（震動的）我推倒。”

暢游果蠅的大腦

在驚人的圖畫質量面前，兩支科研團隊敏捷達到協作。在兩年多的時間里，Ruixuan Gao博士與Shoh Asano博士，以及其他生物學家，顯微鏡專家，以及計算機專家一道，拍照了很多的圖片，并對其進行剖析。

“咱們就像是復仇者聯盟。” Ruixuan Gao博士這樣談論他們的協作關系。

看清大腦結構，一直是科研人員們的愿望（圖片來歷：參考資料[1]）

這些研討帶來的最大亮點之一，就是對完好果蠅大腦的成像剖析。從每個果蠅大腦中，科學家們都取得了大約50000個立體圖畫。隨后，計算機就像是做三維拼圖一般，把這些立體圖畫拼成一個完好的果蠅大腦。

研討人員們說，他們研討了超越1500個樹突棘，調查了維護神經細胞的髓鞘，標出了一切的多巴胺能神經元，并數清了整個果蠅大腦中存在的突觸。

以下是研討人員們給咱們帶來的一段精彩影片，讓咱們在果蠅的大腦中翱翔。影片里，每一個小球都代表一個突觸。

 

納米級清晰度看大腦是怎樣一種體會？

視頻來歷：VIDEO FOOTAGE COURTESY OF HHMI， POSTPRODUCTION BY UC BERKELEY

這些圖畫的清晰度高達60納米，成像進程不超越3天。跟著功率不斷提高，將來，咱們有望在一天之內就對10個果蠅大腦進行立體成像。

“咱們能用極快的速度，對非常大體積的樣本進行剖析，取得高清的圖畫。”Boyden教授說道。

這一研討為神經科學帶來了極為重要的研討東西。它讓咱們能夠了解不同的神經環路怎么組成，性別對大腦有怎樣的影響，疾病又會怎樣損壞大腦。

對研討神經科學的生物學家來說，這或許是最好的年代。

參考資料：

[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