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以高分辨率繪製大腦

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/01/25
單獨追踪果蠅大腦右半球的多巴胺能神經元,支配扇形體(綠色)、橢圓體(洋紅色)和結節(綠色)。 圖片來源:麻省理工學院

研究人員開發出一種前所未有的分辨率和速度對大腦進行成像的新方法。使用這種方法,他們可以定位單個神經元、追踪它們之間的連接,並在大量腦組織上可視化神經元內的細胞器。

這項新技術結合了一種擴展腦組織的方法,使用更快的3D格子光片顯微鏡技術,可以在更高的分辨率下成像。在117 日科學雜誌上的一篇論文中,研究人員表明他們可以使用這些技術,對整個果蠅大腦以及大腦的大部分區域進行成像,且比以前更快。該團隊包括來自麻省理工學院、加州大學伯克萊分校、霍華德休斯醫學研究所和哈佛醫學院波士頓兒童醫院的研究人員。

麻省理工學院麥戈文腦研究所、媒體實驗室與科赫綜合癌症研究所成員Y. Eva Tan教授表示,這項技術使研究人員能夠在大腦內部繪製大規模電路,同時還能提供對個體神經元功能的獨特見解。

「生物學中的很多問題都是多尺度的,」 該研究的資深作者之一Boyden說。「使用晶格層光顯微鏡,以及擴展顯微鏡工藝,我們可以大規模成像,而不會忽視生物分子的奈米級配置。」

大規模成像
2015年,Boyden的實驗室開發出一種使用普通光學顯微鏡,生成高分辨率腦組織圖像的方法。他們的技術依賴於在成像之前擴展組織,允許它們以約60奈米的分辨率對組織成像。以前,只有使用非常昂貴的超分辨率顯微鏡才能實現這種成像。

在這項新研究中,Boyden與研究團隊,將膨脹顯微鏡結合晶格層光顯微鏡。Betzig幾年前開發的這項技術具有一些關鍵特性,使其成為配對膨脹顯微鏡的理想選擇:它可以快速成像大樣本,並且較其他螢光顯微鏡技術,產生更少的光損傷。

論文主要作者,麻省理工學院博士後Ruixuan Gao說:「晶格層光顯微鏡與擴展顯微鏡的結合,對於實現我們正在進行的成像靈敏度、分辨率和可擴展性至關重要。」

成像擴展的組織樣本產生大量數據 - 每個樣本高達數十TB - 因此研究人員還必須設計高度並行化的電腦圖像處理技術,可以將數據分解成更小的塊,進行分析並將其縫合在一起,成為一個連貫的整體。

在科學論文中,研究人員透過將組織體積擴大四倍後,透過對小鼠軀體感覺皮層中的神經元層進行成像,來證明其新技術的強大功能。他們專注於一種稱為錐體細胞的神經元,這是神經系統中最常見的興奮性神經元之一。為了定位這些神經元之間的突觸或連接,他們標記了在細胞的突觸前和突觸後區域中發現的蛋白質,這也使他們能夠比較皮層不同部位的突觸密度。

 
(麻省理工學院的研究人員開發出一種方法來對腦組織進行大規模的3D成像。在這裡,他們描繪了整個果蠅大腦。)

使用這種技術,可以在短短幾天內分析數百萬個突觸。

Gao 說:「我們計算了整個皮層的突觸後標記簇,我們看到皮層不同層的突觸密度存在差異。若使用電子顯微鏡,需要數年才能完成。」

研究人員還研究了不同神經元中軸突髓鞘形成的模式。髓磷脂是一種脂肪物質,可以隔離軸突,其中斷是多發性硬化的標誌。研究人員能夠計算不同軸突區域中髓鞘塗層的厚度,並測量髓鞘延伸之間的間隙,這很重要,因為它們有助於傳導電信號。以前,對於人類註釋者來說,這種髓鞘追踪需要數月到數年才能完成。

該技術還可用於對神經元內的微小細胞器進行成像。在新論文中,研究人員發現了線粒體和溶酶體,他們還測量了這些細胞器形狀的變化。

電路分析
研究人員證明,該技術也可用於分析其他生物的腦組織,他們用它來描繪果蠅的整個大腦,這是罌粟種子的大小,包含大約​​100,000個神經元。在一組實驗中,他們追踪了一個延伸到幾個大腦區域的嗅覺迴路,對所有多巴胺能神經元進行成像,並計算了大腦中的所有突觸。透過比較多只動物,他們還發現每隻動物嗅覺迴路中突觸boutons的數量和排列存在差異。

在未來的工作中,Boyden設想這種技術可用於追踪控制記憶形成和回憶的電路、研究感官輸入如何導致特定行為,或分析情緒如何與決策結合。

Boyden說,該系統還可以應用於神經科學以外。他的實驗室正計劃與其他研究人員合作研究HIV如何逃避免疫系統,該技術也可用於研究癌細胞如何與周圍細胞(包括免疫細胞)相互作用。