科學(xué)家開發(fā)新技術(shù) 可在十億分之一米捕獲腦組織結(jié)構(gòu)和功能信息

英國弗朗西斯·克里克研究所科學(xué)家開發(fā)了一種成像技術(shù)，可在亞細(xì)胞水平(十億分之一米)捕獲有關(guān)腦組織結(jié)構(gòu)和功能的信息，同時還可捕獲有關(guān)周圍環(huán)境的信息。近日發(fā)表在《自然·通訊》雜志的論文詳述了這種獨(dú)特方法，其克服了對不同尺度組織成像的挑戰(zhàn)，使科學(xué)家能看到周圍的細(xì)胞及其功能，從而構(gòu)建出大腦中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的完整圖景。

現(xiàn)有各種成像方法可用于捕獲有關(guān)組織、細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的信息。然而，單一方法只能捕獲有關(guān)組織結(jié)構(gòu)或功能的信息，如果在納米尺度上進(jìn)行詳細(xì)觀察，就會丟失更廣泛環(huán)境的信息。這意味著要全面了解組織，需要將各種成像技術(shù)結(jié)合起來。

研究人員開發(fā)的新方法結(jié)合了七種成像技術(shù)，包括體內(nèi)成像、同步加速器X射線和體積電子顯微鏡等。他們通過對小鼠大腦的兩個不同區(qū)域(嗅球和海馬體)進(jìn)行成像展示了新方法。該技術(shù)可應(yīng)用于大腦的其他區(qū)域或身體的某些部位，能更詳細(xì)地了解許多不同的生物結(jié)構(gòu)和組織。

首先，研究人員使用體內(nèi)鈣成像來可視化大腦特定區(qū)域的神經(jīng)元，并觀察當(dāng)小鼠暴露于氣味時哪些神經(jīng)元處于活躍狀態(tài)。在對小鼠實(shí)施安樂死后，他們使用各種方法對腦組織樣本進(jìn)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(dá)幾毫米的樣本。這種規(guī)模足以讓科學(xué)家看到整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及特定細(xì)胞或其他結(jié)構(gòu)位于樣本更廣泛背景下的位置，而且不會損壞該樣品。

然后，團(tuán)隊成員選擇特定區(qū)域用電子顯微鏡成像，以高分辨率捕捉復(fù)雜的細(xì)節(jié)。在某些目標(biāo)區(qū)域，可映射小至10納米的細(xì)節(jié)，能看到連接神經(jīng)元的單個突觸等微小結(jié)構(gòu)。

最后，研究人員使用計算機(jī)算法將結(jié)果進(jìn)行整合，創(chuàng)建了大腦部分結(jié)構(gòu)和功能的完整圖譜，最大可達(dá)幾立方毫米。

團(tuán)隊表示，這一技術(shù)提供了一種可靠的方法來克服在不同尺度上成像結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。它將成為研究哺乳動物大腦中的神經(jīng)元回路以及其他組織的結(jié)構(gòu)和功能的強(qiáng)大工具。

總編輯圈點(diǎn)

成像技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的重要性不斷凸顯。2017年，三位生物物理學(xué)家憑借在冷凍電鏡領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，簡化了生物細(xì)胞的成像過程和質(zhì)量，被授予諾貝爾化學(xué)獎。2020年，新冠疫情暴發(fā)之初，科學(xué)家第一時間對新冠病毒刺突蛋白和受體ACE2蛋白進(jìn)行成像，研究新冠病毒的結(jié)構(gòu)和侵入人體的過程，為后續(xù)的醫(yī)藥和疫苗研發(fā)提供重要線索。可以說，生命科學(xué)研究與成像技術(shù)發(fā)展之間相輔相成，推動我們對生命的認(rèn)知從微觀走向更微觀。