Science雜志最新封面報道，科學(xué)家們成功掃描了果蠅的完整大腦，達到了納米級成像，將測繪速度提高了1000倍！有解讀大腦的能力，科學(xué)家就可以追蹤神經(jīng)元之間的聯(lián)系，從而破解大腦的奧秘。

大腦研究的新里程碑來了！

最新出版的Science雜志封面，報道了MIT和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）科學(xué)家們的最新成果，他們成功對果蠅的完整大腦進行了成像，清晰度達到了納米級，而且只用了不到三天時間！

幾十年來，神經(jīng)科學(xué)家一直夢想繪制出一幅完整的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精細地圖，包括人腦、老鼠和果蠅的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。有了這種能力，科學(xué)家就可以追蹤神經(jīng)元之間的聯(lián)系，進而了解大腦是如何做出決定的。

利用電子顯微鏡對果蠅大腦的神經(jīng)元和突觸進行全面測繪已經(jīng)花費了10年的時間，數(shù)十人為此付出了努力。科學(xué)家們通過結(jié)合兩種最先進的技術(shù)，膨脹顯微鏡(expansionmicroscopy)和晶格層光顯微鏡(lattice light-sheet microscope)，新的大腦測繪速度提高了1000倍。

值得注意的是，發(fā)明了晶格層光顯微術(shù)的Eric Betzig教授獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎，這次登上Science封面的論文，也有Eric Betzig的名字。

Eric Betzig教授

論文的通訊作者MIT教授Edward S. Boyden五年前發(fā)明了膨脹顯微鏡，并在2018年獲得了有諾貝爾風(fēng)向標(biāo)稱號的加拿大蓋爾德納獎（Canada Gairdner International Award）。

Edward S. Boyden教授

這篇論文堪稱是兩個頂級研究團隊“珠簾合璧”的力作。

納米級觀察大腦：4000萬個突觸一覽無余

電子顯微鏡一直是研究大腦的利器，這也是幾代人努力之后探索出來的一條道路。不過，使用電子顯微鏡，需要花費多年的時間才能獲得果蠅的大腦圖像。

Science最新一期的封面，介紹了一種新的大腦掃描技術(shù)，能讓任何人看清果蠅大腦的4000萬個突觸，其中神經(jīng)元相互連接。

動圖：MIT的研究人員開發(fā)了一種對腦組織進行大規(guī)模3D成像的方法，他們描繪了果蠅的整個大腦。 來源: MIT

這項研究的里程碑意義在于，這張覆蓋整個果蠅大腦的3D地圖顯示出直徑只有60納米的細節(jié)，而且只用了不到三天時間，果蠅大腦中不同的神經(jīng)細胞，甚至蛋白質(zhì)在空間上的相對分布都能夠看到，這對基礎(chǔ)科研意義重大。

雖然其細節(jié)水平不如電子顯微鏡觀察到的那么好，但通過計算突觸，神經(jīng)科學(xué)家可以判斷神經(jīng)連接的強度，比如那些負責(zé)記憶的神經(jīng)連接。

2014年獲諾貝爾化學(xué)獎的Eric Betzig教授說，一天至少能掃描10個果蠅的大腦，這樣的快速和高分辨率將促使科學(xué)家們提出新的問題，比如雄性和雌性果蠅的大腦有哪些差異，或者同種果蠅的大腦回路有什么差別。

并且，這只是昆蟲大腦復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接的超分辨率視圖，這些網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成了從進食到交配的各種行為的基礎(chǔ)，今后，掃描更高級生物的大腦，是不是可以期待一下呢？

膨脹顯微鏡和晶格層光顯微鏡珠簾合璧之作

MIT的Edward Boyden教授在五年前發(fā)明膨脹顯微鏡(expansion microscopy)，他說：“我們不僅僅是在逐步掃描更多的腦組織，我們是在掃描整個大腦。這就是我們?nèi)绱伺d奮的原因?！?/p>

小鼠初級軀體感覺皮層中的錐體神經(jīng)元(橙色部分)，與突觸后蛋白Homer1相關(guān)的樹突棘用黃色突出顯示。來源: MIT

Boyden教授將膨脹顯微技術(shù)與Betzig的最新晶格層光顯微鏡技術(shù)結(jié)合起來，研究出了這項新的腦部掃描技術(shù)。

膨脹顯微鏡(ExM)的原理是將組織樣本包埋在一種吸水膨脹的聚合物中，使得組織像氣球一樣膨脹，同時能保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置不變，然后用常規(guī)顯微鏡對大塊腦組織進行了超高分辨率的蛋白質(zhì)成像。它使用的是類似尿不濕里的聚丙烯酰胺凝膠，這種凝膠在從鹽水轉(zhuǎn)移到純凈水的過程中會膨脹。

將果蠅的大腦擴大到正常大小的四倍后，科學(xué)家們利用晶格層光顯微鏡對所有多巴胺能神經(jīng)元(綠色)進行成像。來源：Credit: Gaoet al./Science2019

晶格層光顯微鏡(LLSM)則使用高度聚焦的光束，一次一個薄片地快速合成一個樣本的三維圖像。

Betzig說：“（Boyden）他們2016年第一次來找我時，我還是充滿懷疑的；我擔(dān)心的是，首先，你是否可以使大腦組織這樣的東西理想地膨脹，而不讓它產(chǎn)生扭曲。然后我擔(dān)心，盡管樣品是透明的，它們還是會像玻璃球那樣扭曲光線?！?/p>

瀏覽果蠅大腦的高分辨率3D圖像。這些彩色的球代表了大腦中神經(jīng)元的一個子集上突觸的密度，即那些對多巴胺有反應(yīng)的神經(jīng)元。這些彩色小球總共繪制了整個大腦的4000萬個突觸其中50萬個突觸的位置，紅色表示突觸密度最高，紫色表示突觸密度最低。不同的大腦結(jié)構(gòu)被突出顯示。視頻來源：HHMI，UC Berkeley

果蠅大腦橢球體中的多巴胺能神經(jīng)元，用3D深度進行顏色編碼。來源：MIT

該聯(lián)合研究團隊由MIT Boyden實驗室的博士后Ruixuan Gao和 Shoh Asano，以及哈佛醫(yī)學(xué)院的Srigokul Upadhyayula帶領(lǐng)，他們發(fā)現(xiàn)，在將腦組織膨脹4倍，體積增大到64倍后，它就幾乎和水一樣清澈，不會產(chǎn)生變形。

Boyden說：“我很驚訝地發(fā)現(xiàn)，它的清晰度是如此完美，呈現(xiàn)出令人難以置信的光學(xué)均勻性。”

結(jié)果，這種晶格層光顯微鏡能夠在單個突觸的水平上拍攝出一張非常詳細且精確的大腦圖像：分辨率達到約60納米，僅為電子顯微鏡分辨率的十分之一。多色成像只需62.5小時。

我們的征程是星辰大“腦”

不過，Betzig預(yù)測，隨著膨脹顯微鏡技術(shù)的改進——一些科學(xué)家已經(jīng)能在每個方向?qū)⒔M織伸長25倍——這種結(jié)合技術(shù)在繪制大腦中所有神經(jīng)連接方面可以取得幾乎和電子顯微鏡一樣好的結(jié)果。

“如果你能讓它在10倍或15倍的膨脹程度有效運作，科學(xué)家可能就會拋棄電子顯微鏡了。電子顯微鏡做密集神經(jīng)跟蹤也很好，但我們的技術(shù)要快得多，也便宜得多。我認(rèn)為他們需要擔(dān)心。盡管現(xiàn)在還不能取代電子顯微鏡，但在我看來，是有這種潛力的?！?/p>

每一次完整的掃描，總計產(chǎn)生接近10TB的數(shù)據(jù)，然后由計算機組合成一個可以像視頻游戲一樣導(dǎo)航的3D圖像。

通過將熒光標(biāo)記物附著到大腦中的蛋白質(zhì)上，就有可能繪制出神經(jīng)元和其他細胞的外膜、一個神經(jīng)元與另一個神經(jīng)元連接的突觸、腦細胞的內(nèi)部隔間，等等。

一小部分錐體神經(jīng)元(黃色)，以及與小鼠初級軀體感覺皮層中神經(jīng)元相關(guān)的突觸前(青色)和突觸后(洋紅色)蛋白質(zhì)對。來源：MIT

這一研究為神經(jīng)科學(xué)帶來了極為重要的研究工具，幫助科學(xué)家們理解不同的神經(jīng)環(huán)路如何組成，性別對大腦有怎樣的影響，疾病又會怎樣破壞大腦等等。

研究團隊不僅對果蠅的整個大腦進行了測試，還對老鼠大腦皮層上幾毫米厚的一個薄片組織進行了測試，結(jié)果類似。

人類的大腦有800億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元可能有7000個突觸，這或許是團隊的新挑戰(zhàn)。