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MIT采用普通显微镜的新型成像法目击神经元工作

2019-11-03 10:35

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680个神经纤维 79个树突 774个突触 新技术为“脑计划”铺路

10月21日消息,近日,麻省理工学院的一项新研究只需用简单的光学显微镜,即可一次性目击老鼠脑部多个神经元的工作情况,研究它们与特定行为之间的联系。这项成果对研究生物体大脑活动、行为控制,以及神经系统疾病起到重要作用。

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上面一行的图像显示加入荧光后的神经细胞,但同时其附近的轴突和树状枝叉结构也被点亮。在下面一行的图像中,研究者加入了一种肽,起到把荧光分子引导至神经元细胞体的表膜上,使得成像效果更好。

电子显微镜下的小鼠脑组织图像 图片来源:BOBBY KASTHURI

传统电压感应法

近日,一场神经学学会会议的约3万名参会者中,有近5000人蜂拥至一个礼堂,观看美国哈佛大学神经学家Jeff Lichtman展示其研究成果——老鼠大脑的切片。当它们被放大在几块大型投影屏幕上时,其中一部分类似圆柱体的组织以史无前例的精细度被呈现出来:680个神经纤维,79个树突,774个突触。化学信号通过这些链接从一个神经元传到另一个神经元。

以前,科学家通常是通过向大脑插入电极、测量电流的方法观察脑部活动。这种方法工作量大,而且一次只能监测一个神经元。之后改善使用多电极阵列,但是又不能对指定区域抽样足够数量的神经元。还有的方法使用钙成像方式,可以实现局部密集抽样,可是由于测量的是钙元素,这是间接且缓慢的监测神经电波活动的方法。

被展示的脑皮层只占小鼠大脑的十亿分之一,如此精确的细节在几年前还是不可想象的。但是近年来,高通量的进步和自动化电子显微镜的发展使Lichtman的团队正在“开启一个新时代”。马里兰州贝塞斯达市美国国家神经疾病和中风研究所项目主管Yuan Liu说,研究人员可以在单个突触层面研究大脑回路。NINDS为Lichtman的研究提供资金。

基因编辑嵌入荧光分子

对于Liu而言,Lichtman的发言是这次会议最精彩的部分,因为他的报告展示了在未来的某一天,新科技能够实现美国总统奥巴马提出的具有争议性的“脑计划”,该计划旨在通过创新的神经技术加强对人脑的认识,加速绘制出人脑结构和活动图谱。Liu说:“我们不可能把所有的钱用于科技发展,但是Lichtman的研究真实地展现了投资的巨大价值。”

MIT的研究组在2018年的一项研究中,发明了荧光探测法:将一种名为Archon1的分子通过基因编辑的方式嵌入神经元的细胞膜。当神经元电流活动增强的时候,这些分子亮度增加,于是这些神经元犹如被“点亮”,研究人员通过简单的光学显微镜就能看到它们。

对于其他人来说,Lichtman从小鼠成千上万个仅30纳米厚度的脑切片中获得的数据,不仅复杂难懂,且令人担忧。纽约冷泉港实验室神经科学家Partha Mitra辩称,除了生成了100 万亿字节的数据和一些精美的图片,它还有助于深入了解大脑的组织结构。他说:“在目前的水平简单地描述神经元回路对于彻底弄清大脑是远远不够的,我们甚至还未达到原子或分子层次。”Mitra 补充:“如果你在原子层次拆分解析周围的任何物体,将会得到大量复杂细节,但这不是我们了解世界化学及物理特性的方式。”

4166.com,2018年的研究观察的是老鼠大脑的切片样本;在今年的新研究中,该研究组直接观测活体老鼠大脑的神经元工作情况。

作为领域内最早创建详细神经电路分布图的学者之一,多年来Lichtman一直听到很多怀疑的声音。2007年,他和同事公布一项名为脑彩虹的大脑成像技术。该技术通过使用荧光蛋白点亮大脑内部的神经元帮助科学家理解大脑的运作。脑彩虹有助于绘制外围系统的连接,但不足以区分中枢神经系统中密集分布且重叠的神经元。今年公布的新版脑彩虹引入更多的颜色,突出细胞膜而非细胞体,使用来自不同种类的荧光蛋白质以更好地标记抗体。Lichtman 预测,他们最终将弄清CNS连接体,但他表示,目前电子显微镜仍是追踪细胞的最有效手段。

加入肽更好地定向荧光分子

Lichtman的博士后学生Bobby Kasthuri说,在突触水平绘制大脑图谱于很多人眼里是近乎疯狂的事,因为这所需要的分辨率是功能性核磁共振成像的1万亿倍。

研究者还发现,去年的研究加入的分子散布在整个细胞膜的表面,使得神经元附近的轴突和树状枝叉结构也被点亮,导致成像比较模糊。新研究中,他们加入了一种肽,起到把荧光分子引导至神经元细胞体的表膜上。他们把改进版的蛋白分子称为SomArchon。

Lichtman说,新电子显微图中的细节将有很大的启示性。马萨诸塞州布兰代斯大学神经科学家Eve Marder说:“例如,来自脑皮层图的一个显著发现是,你不仅能基于轴突和树突相交的位置推断突触,还可以通过这些细节形成一个清晰的框架,而不再停留于想象阶段。” 尽管一些神经科学家争论Lichtman图像的优劣,其他人却对这一新兴技术表示认可。一群研究生对斯坦福大学神经科学家Karl Deisseroth的研究表现出极大的兴趣,并观摩了学界泰斗研发的能使脑组织透明化的技术。Deisseroth是光遗传学的开创者。在Deisseroth身旁,处于激发状态的神经元在荧光屏上不停地闪烁,这些都是Deisseroth准备发表的最新作品。

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