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