大腦神經網絡亞細胞圖譜構成

英國弗朗西斯・克里克研究科學家開發了一種成像技術,可在亞細胞水平(十億分之一米)捕獲有關腦組織結構功能信息,同時還可捕獲有關周圍環境的信息。近日發表在《自然・通訊雜誌論文詳述了這種獨特方法,其克服了對不同尺度組織成像的挑戰,使科學家能看到周圍的細胞及其功能,從而構建出大腦神經網絡的完整圖景

現有各種成像方法可用於捕獲有關組織、細胞和亞細胞結構的信息。然而,單一方法只能捕獲有關組織結構或功能的信息,如果在納米尺度上進行詳細觀察,就會丟失更廣泛環境的信息。這意味着要全面瞭解組織,需要將各種成像技術結合起來。

研究人員開發的新方法結合了七種成像技術,包括體內成像、同步加速器X射線體積電子顯微鏡等。他們通過對小鼠大腦的兩個不同區域嗅球海馬體)進行成像展示了新方法。該技術可應用於大腦的其他區域或身體的某些部位,能更詳細地瞭解許多不同的生物結構和組織。

首先,研究人員使用體內鈣成像來可視化大腦特定區域的神經元,並觀察當小鼠暴露於氣味時哪些神經元處於活躍狀態。在對小鼠實施安樂死後,他們使用各種方法對腦組織樣本進行成像,包括同步加速器X射線斷層掃描,該方法可捕獲長達幾毫米的樣本。這種規模足以讓科學家看到整個神經網絡,以及特定細胞或其他結構位於樣本更廣泛背景下的位置,而且不會損壞該樣品

然後,團隊成員選擇特定區域用電子顯微鏡成像,以高分辨率捕捉複雜的細節。在某些目標區域,可映射小至10納米的細節,能看到連接神經元的單個突觸等微小結構。

最後,研究人員使用計算機算法結果進行整合,創建了大腦部分結構和功能的完整圖譜,最大可達幾立方毫米。

團隊表示,這一技術提供了一種可靠的方法來克服在不同尺度上成像結構的挑戰。它將成爲研究哺乳動物大腦中的神經元迴路以及其他組織的結構和功能的強大工具。(記者張夢然

總編輯圈點

成像技術在生命科學領域重要性不斷凸顯。2017年,三位生物物理學家憑藉在冷凍電鏡領域的貢獻,簡化了生物細胞的成像過程質量,被授予諾貝爾化學獎。2020年,新冠疫情暴發之初,科學家第一時間對新冠病毒刺突蛋白受體ACE2蛋白進行成像,研究新冠病毒的結構和侵入人體的過程,爲後續的醫藥疫苗研發提供重要線索。可以說,生命科學研究與成像技術發展之間相輔相成,推動我們對生命的認知從微觀走向更微觀。