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解螺旋公众号·陪伴你科研的第1742天 科学里的艺术性 近日Science杂志报道了具有里程碑式的研究成果，由美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)和霍华德·休斯医学院(Howard Hughes Medical Institute, HHMI)合作发表，利用新的显微显像技术和组织膨胀技术对果蝇大脑进行了完整地观察，清晰度达到纳米级。 通过结合两个新技术能观察大脑中不同的神经细胞，甚至蛋白质在空间上的相对分布，对神经科学基础研究有着里程碑式的意义，其能够帮助科学家绘制出更为精确的脑部图像，更好的发现引起脑部疾病的线索。 图1：Science封面 几年前，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)的神经科学家Ed Boyden和同事们在一次自由讨论（类似头脑风暴）时想出了一个不可思议的想法: 为了更好地观察复杂的脑细胞，设法将标本像气球一样膨胀起来。他们推测，把标本变大一些，能够更容易进行观察。 图2：来源维基百科 大约在同一时间，诺贝尔奖得主、霍华德休斯医学院Janelia研究中心Eric Betzig教授的团队宣布了他们成功研制出一种强大的新型显微镜，该技术能利用一片光来照射组织，而不会像许多其他显微镜对样本造成巨大的损害。 这两组研究人员已经将他们的技术结合起来，以捕捉果蝇大脑的复杂结构以及老鼠大脑皮层的惊人精细结构。Boyden教授团队最先使用的技术叫做膨胀显微镜，这种技术是从保存的标本开始的，比如薄薄的组织切片。 它注入了一种可膨胀、可吸收的聚合物，类似于婴儿尿布的技术。当标本被水浸泡时，它会膨胀。科学家应用这种技术将果蝇的脑组织扩大了四倍。这一过程使样品几乎变得透明。结果证明这使得它特别适合于Betzig教授的格子薄片显微镜技术，从一边发光，从另一边拍照。这能够以纳米级的精度成像，而且速度非常快。 图3：来源Betzig's Lab Boyden教授实验室联系Betzig教授，想把他们超大尺寸的果蝇大脑样本放在他们的显微镜下观察。Betzig教授说他们可以试一试，这位从事超高分辨率研究已经有30年的科学家，当时并不认为实验能够取得成功。但Boyden教授认为，这是对未来的一种体验和尝试。他补充道，我们正在获得这些庞大而丰富的数据集，我们开始利用更好的工具，从这些数据集中获取更多的信息。 但科学家们并不满足，仍然想要进一步改进这项技术。在这篇新论文中，他们使用荧光蛋白和抗体标记标本，这样在显微镜下就可以看到突触和其他细节。但是大脑的某些部分不能很好地用这些技术进行标记，比如血脂等。还有一些组织不适合扩张，比如富含胶原蛋白的结缔组织。 图4：脑部范围的纳米光学成像 神经结构与分子对比度超过毫米级的ExLLSM图像，包括(顺时针从右上角起)小鼠神经元结构; 体细胞细胞器形态学研究树突棘和突触穿过大脑皮层的蛋白质; 果蝇投射神经元钮孔的刻板印象投影神经元追踪到中心复体;(中间)横跨大脑的多巴胺能神经元，包括椭球体(圆形插图)。 Betzig教授认为，要将组织扩大到足够大，并使其在显微镜下保持足够的荧光，以便能够追踪到大脑的一些最细微的结构，这可能仍是很棘手的问题。但是Boyden教授希望有一天能够绘制出大脑的全部图像，使科学家们能够精确地找出可能导致帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病的分子变化。他认为，如果科学家能准确地找出疾病的起源，那将是非常强大的武器。 对于神经生物学来说，未来将会有一种新的体验和尝试，或将开启一个崭新的时代。 图5：纳米级蛋白质特异性的亚细胞神经结构三维成像，Thy1-YFP小鼠初级躯体感觉皮层图像 参考资料： 1. https://en./wiki/Edward_Boyden 2. https://www./lab/betzig-lab/members 3. https://www./2019/01/17/microscopy-technique-captures-stunning-fly-brain-images/ 4. Ruixuan Gao et al. (2019), Cortical column and whole-brain imaging with molecular contrast and nanoscale resolution, Science, DOI: 10.1126/science.aau8302 |
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