《科学》:成功畅游果蝇的大脑

文章作者:管理一号 | 2019-01-18
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今天关于研讨大脑的科学家们来说,是具有里程碑含义的一天。在最新出书的《科学》杂志上,由麻省理工学院(MIT)和霍华德·休斯医学研讨所(HHMI)的科学家们领衔的一支团队,成功对果蝇的完好大脑进行了成像,清晰度达到了纳米级!这让咱们能够看清大脑中,不同的神经细胞,甚至蛋白质在空间上的相对散布,对根底科研有着极为重要的含义。

这一重磅研讨,也登上了本期《科学》的封面。

 

婴儿尿布与大脑研讨

本研讨的通讯作者之一是MIT的闻名科学家Edward S。 Boyden教授。他开始因在光遗传学上的研讨而闻名于世,最近几年则在大脑成像范畴有着许多打破性的奉献。2015年,他取得了有“科学界奥斯卡”之称的“科学打破奖”(Breakthrough Prize)。2018年,他也取得了有诺贝尔风向标称谓的盖尔德纳奖。

Edward S。 Boyden教授是本研讨的通讯作者之一(图片来历:Edward S。 Boyden教授课题组)

在2015年左右,Boyden教授团队向解析大脑的高清结构发起了冲击,方针是理清大脑在细胞、甚至蛋白层面上怎么进行组合。为了完成这一方针,科学家们开发了一种看起来很风趣的研讨办法:他们首先往大脑安排样本中打针一种胶状物质,随后让这些凝胶吸水胀大,把大脑撑开。

从原理上看,这和婴儿尿布中的资料吸水胀大,有着异曲同工之妙。

这种看起来简略的办法,在解析大脑结构中扮演了重要的人物。在长、宽、高的维度上胀大扩展2倍,整个体积就会扩展8倍。因为胀大后的大脑安排更为松懈,对其进行显微调查就成为了或许。更要害的是,大脑样本中的这些神经细胞,相对方位被凝胶所固定,并不会发生变化。

果蝇大脑的扩展进程(图片来历:参考资料[1])

正是因为这一打破,针对特定的大脑细胞或小型大脑区域,咱们现已取得了不少“高清地图”。

两种显微技能的合力

在体积较小的大脑样本中取得的成功,并不一定能被复制到大型脑安排里。这是因为样本的体积越大,就越难对深埋其间的特定部分进行成像。假如单纯为了“点亮”而增强光源,还会损坏用于做符号的荧光蛋白。能够说,这是一个两难。

此外,大型脑安排在胀大扩展之后,怎么对整个结构进行快速的扫描成像,也就成了一个难题。“咱们需求能够快速成像,不会带来太多光褪色(photobleaching)效应的显微镜”,本研讨的一起榜首作者Ruixuan Gao博士说道。而他们知道,HHMI的Eric Betzig教授课题组中,就有这么一台高档的显微镜。

本研讨的一起榜首作者Ruixuan Gao博士(图片来历:Edward S。 Boyden教授课题组)

Betzig教授的显微镜叫做“晶格层光显微镜”(lattice light-sheet microscope)。它每次只会照亮超级薄的一层样本,将对样本的危害降到了最低。此外,它也能快速对样本进行成像,这正是研讨人员们所需求的技能。

趁便一提,因为在显微成像技能上的打破,Betzig教授曾取得2014年的诺贝尔化学奖。

Betzig教授是2014年诺贝尔化学奖得主之一(图片来历:诺贝尔奖官方网站)

这名诺奖得主起先并不信任他的显微镜能供给多少协助,但他仍然大度地约请研讨人员们前去测验。

Ruixuan Gao博士与另一名一起一作Shoh Asano博士带去了一些经过胀大扩展的小鼠大脑安排,在晶格层光显微镜下进行调查。经过结合“扩展显微技能”和“晶格层光显微技能”,他们看到了神经元上的许多树突棘结构。这种细微的结构看起来就像是蘑菇,有着巨大的头部,以及细长的根部。曩昔,树突棘的成像一直是一个应战。然而在两种显微技能的合力下,研讨人员们连“最细微的根部”都能够看到。

研讨人员们看到了树突棘的“森林”(图片来历:参考资料[1])

“我几乎不敢信任数据的质量,” Betzig教授说道:“用一根茸毛,你就能够把(震动的)我推倒。”

畅游果蝇的大脑

在惊人的图画质量面前,两支科研团队敏捷达到协作。在两年多的时间里,Ruixuan Gao博士与Shoh Asano博士,以及其他生物学家,显微镜专家,以及计算机专家一道,拍照了很多的图片,并对其进行剖析。

“咱们就像是复仇者联盟。” Ruixuan Gao博士这样谈论他们的协作关系。

看清大脑结构,一直是科研人员们的愿望(图片来历:参考资料[1])

这些研讨带来的最大亮点之一,就是对完好果蝇大脑的成像剖析。从每个果蝇大脑中,科学家们都取得了大约50000个立体图画。随后,计算机就像是做三维拼图一般,把这些立体图画拼成一个完好的果蝇大脑。

研讨人员们说,他们研讨了超越1500个树突棘,调查了维护神经细胞的髓鞘,标出了一切的多巴胺能神经元,并数清了整个果蝇大脑中存在的突触。

以下是研讨人员们给咱们带来的一段精彩影片,让咱们在果蝇的大脑中翱翔。影片里,每一个小球都代表一个突触。

 

纳米级清晰度看大脑是怎样一种体会?

视频来历:VIDEO FOOTAGE COURTESY OF HHMI, POSTPRODUCTION BY UC BERKELEY

这些图画的清晰度高达60纳米,成像进程不超越3天。跟着功率不断提高,将来,咱们有望在一天之内就对10个果蝇大脑进行立体成像。

“咱们能用极快的速度,对非常大体积的样本进行剖析,取得高清的图画。”Boyden教授说道。

这一研讨为神经科学带来了极为重要的研讨东西。它让咱们能够了解不同的神经环路怎么组成,性别对大脑有怎样的影响,疾病又会怎样损坏大脑。

对研讨神经科学的生物学家来说,这或许是最好的年代。

参考资料:

[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

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