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Nature子刊:特殊染色法破解大脑奥秘

人们普遍认为,学习是基于神经细胞之间的连接的变化。了解哪些神经细胞与其他神经细胞连接,对我们理解“大脑是如何工作的”是相当有帮助的。因此,科学家们一直梦想着能够绘制并解码神经连接体(connectome)——大脑的电路图。


最近,马克斯普朗克神经生物学研究所的Shawn Mikula和Winfried Denk,开发出一种特殊的染色方法,弥补了最后一个方法上的差距:如何染色整个大脑,相关研究结果发表在四月十三日的《Nature Methods》。现在,绘制完整的小鼠大脑似乎是触手可及的,但即便设备效率像设计的那样,收集数据也需要几年的时间,而且,分析大约40千兆字节的数据,可能需要几十年的时间。


自从十九世纪末科学家首次在显微镜下检测到神经细胞以来,已经发生了很多事情。健康及病变大脑的解剖学、化学和细胞生物学,已经得以广泛的探讨。然而,人的想法和感受如何来自单个细胞的活性?当细胞从网络上分离时(退行性疾病)会发生什么?目前还不明确。因此,了解神经网络的连接并发现所有这些连接,对于联接组学(connectomics)的目标显然是很重要的。


人类大脑含有1千亿左右的细胞与细胞间连接。虽然绘制人类大脑的神经连接是真正的科幻小说,但是串行块面扫描电子显微镜及其他影像学分析方法的发展,已经带来了小鼠大脑的神经连接体,小鼠大脑比人的大脑小3000倍,是触手可及的。Shawn Mikula说:“一个关键的步骤——仍然下落不明,是全脑样品制备。”在过去的六年里,他一直致力于完整小鼠大脑组织染色,以便整个大脑的对比是均匀的,并且追踪大脑线路和检测突触所需要的超微结构信息没有被破坏。以前的染色方法只能可靠地染色比较小的组织样本。但是,一旦大脑被分成小块神经丝,可能不再继续在碎块之间,从而不能产生其后的每一代全脑图。旨在染色全脑的方法可能使大脑染色太弱或不均匀,或者它们会毁坏大脑结构。因此,所有神经细胞连接的重建,仍然是不可能的。


现在,Shawn Mikula和Winfried Denk提出了一种全脑染色方法——BROPA。BROPA缩写代表着一系列复杂的染色和漂洗步骤,包括锇和邻苯三酚溶液。整个染色过程大约需要四周。Shawn Mikula解释说:“我的忍耐是痛苦的,因为直到这个过程结束,我们才能知道染色过程中的变化是好的还是坏的。”但是,经过很多等待和精炼,两位科学家都对这种新方法非常满意:“我们的研究结果表明,用串行块面扫描电子显微镜,在一只BROPA染色小鼠大脑中,能可靠地追寻到单个轴突,并识别突触。”


马克斯普朗克神经生物学研究所主任Winfried Denk解释说:“我们的目标是,在电子显微镜下,用所有神经细胞和连接来记录完整的小鼠大脑,现在我们向这个目标迈出了重要的一步。”一旦新一代仪器交付并被测试——这计划花费一年的时间,科学家就打算启动项目。Denk说:“我估计,只收集数据就将需要大约两年半的时间。在这段时间里,会产生大约40千兆字节的数据。我们将以某种方式管理这些数据存储,这是我们仍然担心的分析。”


到目前为止这些结果表明,自动化的计算机程序可以相当可靠地识别BROPA染色的突触和细胞体。但即使是罕见的中断也会让神经纤维非常分散。Winfried Denk说:“我相信我们能够解决好这个问题。”在人类基因组破译的背景下,实际上这听起来并不是天方夜谭:当70年代中期第一个DNA片段被解码时,测定整个人类基因组的序列跟现在绘制整个人类大脑的连接组一样,最初看起来是不可能的。


注:Winfried Denk是德国物理学家,马克斯普朗克神经生物学研究所的主任。他1990年在瓦•韦伯的实验室做博士后研究员时率先实现了双光子显微镜。Denk后来(1994年)认识到双光子显微镜活细胞成像的深高散射问题上具有独特的性能。他的第二个重大发明是一台机器,可以自动获取分辨率为几纳米的三维图像。这种技术被称为串行块面扫描电子显微镜,已被加坦公司商业化。他在2003年被授予戈特弗里德•威廉•莱布尼茨奖和2012年卡夫利奖。2013年成为美国国家科学院外籍会员。


原文链接:High-resolution whole-brain staining for electron microscopic circuit reconstruction


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