Science封面里程碑研究：纳米级成像，人类终于看清大脑每个神经元

大脑研究的新里程碑来了！

最新出版的Science杂志封面，报道了MIT和霍华德·休斯医学研究所（HHMI）科学家们的最新成果，他们成功对果蝇的完整大脑进行了成像，清晰度达到了纳米级，而且只用了不到三天时间！

几十年来，神经科学家一直梦想绘制出一幅完整的大脑神经网络的精细地图，包括人脑、老鼠和果蝇的神经网络。有了这种能力，科学家就可以追踪神经元之间的联系，进而了解大脑是如何做出决定的。

利用电子显微镜对果蝇大脑的神经元和突触进行全面测绘已经花费了10年的时间，数十人为此付出了努力。科学家们通过结合两种最先进的技术，膨胀显微镜(expansion microscopy)和晶格层光显微镜(lattice light-sheet microscope)，新的大脑测绘速度提高了1000倍。

值得注意的是，发明了晶格层光显微术的Eric Betzig教授获得2014年诺贝尔化学奖，这次登上Science封面的论文，也有Eric Betzig的名字。

Eric Betzig教授

论文的通讯作者MIT教授Edward S. Boyden五年前发明了膨胀显微镜，并在2018年获得了有诺贝尔风向标称号的加拿大盖尔德纳奖（Canada Gairdner International Award）。

Edward S. Boyden教授

这篇论文堪称是两个顶级研究团队“珠帘合璧”的力作。

纳米级观察大脑：4000万个突触一览无余

电子显微镜一直是研究大脑的利器，这也是几代人努力之后探索出来的一条道路。不过，使用电子显微镜，需要花费多年的时间才能获得果蝇的大脑图像。

Science最新一期的封面，介绍了一种新的大脑扫描技术，能让任何人看清果蝇大脑的4000万个突触，其中神经元相互连接。

MIT的研究人员开发了一种对脑组织进行大规模3D成像的方法，他们描绘了果蝇的整个大脑。 来源: MIT

这项研究的里程碑意义在于，这张覆盖整个果蝇大脑的3D地图显示出直径只有60纳米的细节，而且只用了不到三天时间，果蝇大脑中不同的神经细胞，甚至蛋白质在空间上的相对分布都能够看到，这对基础科研意义重大。

虽然其细节水平不如电子显微镜观察到的那么好，但通过计算突触，神经科学家可以判断神经连接的强度，比如那些负责记忆的神经连接。

2014年获诺贝尔化学奖的Eric Betzig教授说，一天至少能扫描10个果蝇的大脑，这样的快速和高分辨率将促使科学家们提出新的问题，比如雄性和雌性果蝇的大脑有哪些差异，或者同种果蝇的大脑回路有什么差别。

并且，这只是昆虫大脑复杂的网络连接的超分辨率视图，这些网络连接构成了从进食到交配的各种行为的基础，今后，扫描更高级生物的大脑，是不是可以期待一下呢？

膨胀显微镜和晶格层光显微镜珠帘合璧之作

MIT的Edward Boyden教授在五年前发明膨胀显微镜(expansion microscopy)，他说：“我们不仅仅是在逐步扫描更多的脑组织，我们是在扫描整个大脑。这就是我们如此兴奋的原因。”

小鼠初级躯体感觉皮层中的锥体神经元(橙色部分)，与突触后蛋白Homer1相关的树突棘用黄色突出显示。来源: MIT

膨胀显微镜(ExM)的原理是将组织样本包埋在一种吸水膨胀的聚合物中，使得组织像气球一样膨胀，同时能保持内部结构的相对位置不变，然后用常规显微镜对大块脑组织进行了超高分辨率的蛋白质成像。它使用的是类似尿不湿里的聚丙烯酰胺凝胶，这种凝胶在从盐水转移到纯净水的过程中会膨胀。

将果蝇的大脑扩大到正常大小的四倍后，科学家们利用晶格层光显微镜对所有多巴胺能神经元(绿色)进行成像。来源：Credit: Gao et al./Science 2019

晶格层光显微镜(LLSM)则使用高度聚焦的光束，一次一个薄片地快速合成一个样本的三维图像。

Betzig说：“（Boyden）他们2016年第一次来找我时，我还是充满怀疑的；我担心的是，首先，你是否可以使大脑组织这样的东西理想地膨胀，而不让它产生扭曲。然后我担心，尽管样品是透明的，它们还是会像玻璃球那样扭曲光线。”

浏览果蝇大脑的高分辨率3D图像。这些彩色的球代表了大脑中神经元的一个子集上突触的密度，即那些对多巴胺有反应的神经元。这些彩色小球总共绘制了整个大脑的4000万个突触其中50万个突触的位置，红色表示突触密度最高，紫色表示突触密度最低。不同的大脑结构被突出显示。

果蝇大脑椭球体中的多巴胺能神经元，用3D深度进行颜色编码。来源：MIT

该联合研究团队由MIT Boyden实验室的博士后Ruixuan Gao和 Shoh Asano，以及哈佛医学院的Srigokul Upadhyayula带领，他们发现，在将脑组织膨胀4倍，体积增大到64倍后，它就几乎和水一样清澈，不会产生变形。

Boyden说：“我很惊讶地发现，它的清晰度是如此完美，呈现出令人难以置信的光学均匀性。”

结果，这种晶格层光显微镜能够在单个突触的水平上拍摄出一张非常详细且精确的大脑图像：分辨率达到约60纳米，仅为电子显微镜分辨率的十分之一。多色成像只需62.5小时。

我们的征程是星辰大“脑”

不过，Betzig预测，随着膨胀显微镜技术的改进——一些科学家已经能在每个方向将组织伸长25倍——这种结合技术在绘制大脑中所有神经连接方面可以取得几乎和电子显微镜一样好的结果。

“如果你能让它在10倍或15倍的膨胀程度有效运作，科学家可能就会抛弃电子显微镜了。电子显微镜做密集神经跟踪也很好，但我们的技术要快得多，也便宜得多。我认为他们需要担心。尽管现在还不能取代电子显微镜，但在我看来，是有这种潜力的。”

每一次完整的扫描，总计产生接近10TB的数据，然后由计算机组合成一个可以像视频游戏一样导航的3D图像。

通过将荧光标记物附着到大脑中的蛋白质上，就有可能绘制出神经元和其他细胞的外膜、一个神经元与另一个神经元连接的突触、脑细胞的内部隔间，等等。

一小部分锥体神经元(黄色)，以及与小鼠初级躯体感觉皮层中神经元相关的突触前(青色)和突触后(洋红色)蛋白质对。来源：MIT

这一研究为神经科学带来了极为重要的研究工具，帮助科学家们理解不同的神经环路如何组成，性别对大脑有怎样的影响，疾病又会怎样破坏大脑等等。

研究团队不仅对果蝇的整个大脑进行了测试，还对老鼠大脑皮层上几毫米厚的一个薄片组织进行了测试，结果类似。

人类的大脑有800亿个神经元，每个神经元可能有7000个突触，这或许是团队的新挑战。