摘要：在最新出版的《科學(xué)》雜志上，由麻省理工學(xué)院（MIT）和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的科學(xué)家們領(lǐng)銜的一支團(tuán)隊(duì)，成功對(duì)果蠅的完整大腦進(jìn)行了成像，清晰度達(dá)到了納米級(jí)！

在最新出版的《科學(xué)》雜志上，由麻省理工學(xué)院（MIT）和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的科學(xué)家們領(lǐng)銜的一支團(tuán)隊(duì)，成功對(duì)果蠅的完整大腦進(jìn)行了成像，清晰度達(dá)到了納米級(jí)！這讓我們能夠看清大腦中，不同的神經(jīng)細(xì)胞，乃至蛋白質(zhì)在空間上的相對(duì)分布，對(duì)基礎(chǔ)科研有著極為重要的意義。

這一重磅研究，也登上了本期《科學(xué)》的封面。

嬰兒尿布與大腦研究

本研究的通訊作者之一是MIT的知名科學(xué)家Edward S. Boyden教授。他最初因在光遺傳學(xué)上的研究而聞名于世，最近幾年則在大腦成像領(lǐng)域有著諸多突破性的貢獻(xiàn)。2015年，他獲得了有“科學(xué)界奧斯卡”之稱(chēng)的“科學(xué)突破獎(jiǎng)”（Breakthrough Prize）。2018年，他也獲得了有諾貝爾風(fēng)向標(biāo)稱(chēng)號(hào)的蓋爾德納獎(jiǎng)。

▲Edward S. Boyden教授是本研究的通訊作者之一（圖片來(lái)源：Edward S. Boyden教授課題組）

在2015年左右，Boyden教授團(tuán)隊(duì)向解析大腦的高清結(jié)構(gòu)發(fā)起了沖鋒，目標(biāo)是理清大腦在細(xì)胞、乃至蛋白層面上如何進(jìn)行組合。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種看起來(lái)很有趣的研究方法：他們首先往大腦組織樣本中注射一種膠狀物質(zhì)，隨后讓這些凝膠吸水膨脹，把大腦撐開(kāi)。

從原理上看，這和嬰兒尿布中的材料吸水膨脹，有著異曲同工之妙。

這種看起來(lái)簡(jiǎn)單的方法，在解析大腦結(jié)構(gòu)中扮演了重要的角色。在長(zhǎng)、寬、高的維度上膨脹擴(kuò)大2倍，整個(gè)體積就會(huì)擴(kuò)大8倍。由于膨脹后的大腦組織更為松散，對(duì)其進(jìn)行顯微觀察就成為了可能。更關(guān)鍵的是，大腦樣本中的這些神經(jīng)細(xì)胞，相對(duì)位置被凝膠所固定，并不會(huì)發(fā)生變化。

▲果蠅大腦的擴(kuò)大過(guò)程（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

正是因?yàn)檫@一突破，針對(duì)特定的大腦細(xì)胞或小型大腦區(qū)域，我們已經(jīng)獲得了不少“高清地圖”。

兩種顯微技術(shù)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(fù)制到大型腦組織里。這是因?yàn)闃颖镜捏w積越大，就越難對(duì)深埋其中的特定部分進(jìn)行成像。如果單純?yōu)榱恕包c(diǎn)亮”而增強(qiáng)光源，還會(huì)破壞用于做標(biāo)記的熒光蛋白?？梢哉f(shuō)，這是一個(gè)兩難。

此外，大型腦組織在膨脹擴(kuò)大之后，如何對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速的掃描成像，也就成了一個(gè)難題?！拔覀冃枰軌蚩焖俪上?，不會(huì)帶來(lái)太多光褪色（photobleaching）效應(yīng)的顯微鏡”，本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士說(shuō)道。而他們知道，HHMI的Eric Betzig教授課題組中，就有這么一臺(tái)高級(jí)的顯微鏡。

▲本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士（圖片來(lái)源：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(huì)照亮超級(jí)薄的一層樣本，將對(duì)樣本的損害降到了最低。此外，它也能快速對(duì)樣本進(jìn)行成像，這正是研究人員們所需要的技術(shù)。

順便一提，由于在顯微成像技術(shù)上的突破，Betzig教授曾獲得2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

▲B(niǎo)etzig教授是2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主之一（圖片來(lái)源：諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站）

這名諾獎(jiǎng)得主起初并不相信他的顯微鏡能提供多少幫助，但他依然大度地邀請(qǐng)研究人員們前去嘗試。

Ruixuan Gao博士與另一名共同一作Shoh Asano博士帶去了一些經(jīng)過(guò)膨脹擴(kuò)大的小鼠大腦組織，在晶格層光顯微鏡下進(jìn)行觀察。通過(guò)結(jié)合“擴(kuò)大顯微技術(shù)”和“晶格層光顯微技術(shù)”，他們看到了神經(jīng)元上的許多樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)。這種微小的結(jié)構(gòu)看起來(lái)就像是蘑菇，有著龐大的頭部，以及細(xì)長(zhǎng)的根部。過(guò)去，樹(shù)突棘的成像一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。然而在兩種顯微技術(shù)的合力下，研究人員們連“最細(xì)小的根部”都可以看到。

▲研究人員們看到了樹(shù)突棘的“森林”（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

“我簡(jiǎn)直不敢相信數(shù)據(jù)的質(zhì)量，” Betzig教授說(shuō)道：“用一根羽毛，你就可以把（震驚的）我推倒。”

暢游果蠅的大腦

在驚人的圖像質(zhì)量面前，兩支科研團(tuán)隊(duì)迅速達(dá)成合作。在兩年多的時(shí)間里，Ruixuan Gao博士與Shoh Asano博士，以及其他生物學(xué)家，顯微鏡專(zhuān)家，以及計(jì)算機(jī)專(zhuān)家一道，拍攝了大量的圖片，并對(duì)其進(jìn)行分析。

“我們就像是復(fù)仇者聯(lián)盟。” Ruixuan Gao博士這樣評(píng)論他們的合作關(guān)系。

▲看清大腦結(jié)構(gòu)，一直是科研人員們的夢(mèng)想（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

這些研究帶來(lái)的最大亮點(diǎn)之一，就是對(duì)完整果蠅大腦的成像分析。從每個(gè)果蠅大腦中，科學(xué)家們都獲得了大約50000個(gè)立體圖像。隨后，計(jì)算機(jī)就像是做三維拼圖一般，把這些立體圖像拼成一個(gè)完整的果蠅大腦。

研究人員們說(shuō)，他們研究了超過(guò)1500個(gè)樹(shù)突棘，觀察了保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞的髓鞘，標(biāo)出了所有的多巴胺能神經(jīng)元，并數(shù)清了整個(gè)果蠅大腦中存在的突觸。

這些圖像的清晰度高達(dá)60納米，成像過(guò)程不超過(guò)3天。隨著效率不斷提高，將來(lái)，我們有望在一天之內(nèi)就對(duì)10個(gè)果蠅大腦進(jìn)行立體成像。

“我們能用極快的速度，對(duì)非常大體積的樣本進(jìn)行分析，獲得高清的圖像?！盉oyden教授說(shuō)道。

這一研究為神經(jīng)科學(xué)帶來(lái)了極為重要的研究工具。它讓我們可以理解不同的神經(jīng)環(huán)路如何組成，性別對(duì)大腦有怎樣的影響，疾病又會(huì)怎樣破壞大腦。

對(duì)研究神經(jīng)科學(xué)的生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，這可能是最好的時(shí)代。