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以纳米级清晰度看大脑是怎样一种体验？
作者 | 小海米
来源 | 医学界神经病学频道
今天，在Science的封面论文中，研究人员开发出一种以超高的分辨率和速度对大脑进行成像的新方法[1]。
使用这种方法，研究人员可以定位单个神经元，跟踪它们之间的连接，并在大量脑组织上可视化神经元内的细胞器[2]。除此以外，研究人员还成功对果蝇的大脑进行了完整的成像，清晰度达到了纳米级，而成像速度比其他技术快约1000倍[3]！
文章发表在《Science》
文章的通讯作者之一，Edward Boyden是霍华德休斯医学研究所（The Howard Hughes Medical Institute，HHMI）的高级研究员。他曾这样说过，“我的长期目标是以足够的精确度理解大脑[4]。”为了实现这一目标，Boyden的小组一直梦想着可以绘制一张详细的大脑地图。
可这并非易事！！
在人体中有超过800亿个神经元，其中每一个都会产生数千个连接。制作详细的大脑地图不仅需要观察大脑的电活动和化学信号，还需要绘制其神经回路的布线图。
这些地图可以帮助科学家发现脑部疾病的发生位置，建立更好的人工智能。“这就像神经科学的圣杯！”Boyden说[3]。
纳米级大脑成像[1]
多年以前，Boyden的小组就有这样的一个想法：如果他们可以让大脑变得更大，大到足以看清内部的结构，那会怎么样？
于是研究人员就发明了一种方法，他们往大脑组织样本中注射一种可溶胀凝胶，随后凝胶吸水膨胀把大脑撑开。不要以为这凝胶是什么神奇的东西，它其实类似于婴儿尿布中的物质！
这个看似“脑洞大开”的想法，竟然在随后的成像过程中发挥着重要的作用！膨胀后的大脑组织更加松散，有利于进行显微观察。更加重要的是，由于凝胶的作用，大脑中神经细胞的相对位置可以被固定，并不会发生变化。
变大后的果蝇大脑（比例尺为500 μm）[1]
不过要对大量组织进行成像并不容易。样本越厚，越难以照亮想要看到的部分。如果单纯为了“点亮”而增强光源，不仅会带来太多的光漂白（photobleaching）效应，还会破坏掉科学家用来照亮细胞的荧光“灯泡”——用于标记的荧光蛋白。
文章的第一作者Ruixuan Gao，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）博士后表示，样品的体积扩大64倍后，成像的速度也变得至关重要。“我们知道Eric Betzig教授有一台非常棒的显微镜。”
Eric Betzig是加州大学伯克利分校（The University of California at Berkeley）的物理学和分子与细胞生物学教授。他因开发了超分辨率荧光显微镜而获得2014年的诺贝尔化学奖[5]。
Eric Betzig教授[5]
Betzig教授在HHMI的团队正使用“晶格层光显微镜”（lattice light-sheet microscope）对细胞进行着成像。而这一台显微镜正是Gao博士所指的那台。
“一开始我觉得这个想法有点粗糙，”Betzig教授这样回忆道，“但我还是邀请他们尝试。当我看到这些数据的质量时，我简直不敢相信。我非常震惊，震惊到你用一根羽毛就可以推倒我！”
确实，Gao博士与Shoh Asano博士（另一名共同一作）通过结合“扩大显微技术”和“晶格层光显微技术”，可以清晰地看到小鼠大脑组织神经元上的树突棘结构。
这种微小的结构看起来像蘑菇，在瘦小的脖子上有球状的脑袋。在过去，树突棘的成像一直是一个难题。但是在这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。
树突棘的“森林“[1]
另外，研究人员还通过对小鼠躯体感觉皮层中的神经元层进行成像，来证明这项新技术的强大功能。他们专注于一种称为锥体细胞的神经元，这是神经系统中最常见的兴奋性神经元之一。
为了定位这些神经元之间的突触或连接，他们标记了在细胞的突触前和突触后区域中发现的蛋白质。这也使他们能够比较皮层不同部位的突触密度。使用这种技术，可以在短短几天内分析数百万个突触。
在过去的日子里，Gao博士与Shoh Asano博士，以及其他生物学家、显微镜专家、物理学家和计算机科学家合作，拍摄了大量的图片，并对其进行分析。
“这样的合作就像是复仇者联盟。”Gao博士这样说。
Yoshinori Aso和FlyLight团队提供高质量的果蝇标本，Gao博士和Shoh Asano博士扩展并收集每个大脑的立体图像。
随后由Stephan Saalfeld和Igor Pisarev领导的计算机专家团队通过复杂的计算，使这些图像组合形成三维结构。
而来自哈佛医学院（Harvard Medical School）的Srigokul Upadhyayula，分析了200 TB的数据并制作成令人惊艳的电影，以生动的色彩展示了大脑的错综复杂。
研究人员表示，他们研究了超过1500个树突棘，成像了保护神经细胞的髓鞘，标记了所有多巴胺能神经元，并统计了整个果蝇大脑中存在的突触。
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）
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