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从研究机构

如何在纳米级分辨率下快速成像整个大脑

日期:
1月17日2019
来源:
霍华德休斯医学院
总结:
一项强大的新技术结合了扩展显微镜和点阵光片显微镜,用于对苍蝇和老鼠神经回路及其分子成分进行纳米成像,其速度大约是其他方法的1000倍。
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在老鼠的大脑皮层中,树突刺从神经元的分支中伸出。
学分:Gao等/ Science 2019

Eric Betzig没有想到这个实验会成功。

两位科学家,高瑞轩,浅野正一,他想用他的团队的显微镜对大脑样本进行放大,使其达到正常大小的四倍——像气球一样膨胀。这双霍华德休斯医学研究所(HHMI)的一部分,研究者是麻省理工学院(MIT)的Ed Boyden的实验室,利用化学技术使小样本变大,这样科学家可以更容易地看到分子的细节。

他们的技术,叫扩张显微镜,在常规光学显微镜下对单个细胞或薄组织切片成像效果良好,但是博伊登的研究小组想对大块的组织进行成像。他们想要看到跨越数毫米甚至更多的完整神经回路。科学家们需要一台高速的显微镜,高分辨率,相对温和——在完成成像之前不会破坏样本的东西。

所以,他们转向贝琪。他的团队在HHMI的Janelia研究校园使用他们的点阵光学显微镜,以3-D的方式对敏感的活细胞的快速亚细胞动力学进行成像。结合这两种显微镜技术可能提供快速的广泛的脑组织的详细图像。

贝齐格回忆道:“我还以为他们已经吃饱了呢。”“这个想法听起来确实有点粗糙,”高说。“我们正在把组织拉伸开。”但贝齐格邀请高和浅野去尝试这个格子镜。

“我本来要给他们看的,”比齐格笑着说。相反,他被吹走了。“我不敢相信我看到的数据的质量。你本可以用羽毛把我打倒的。”

现在,他和他的珍妮亚同事们与博伊登的小组合作,对整个果蝇大脑和老鼠大脑各部分的皮质厚度进行了成像。他们的组合方法提供了高分辨率和可视化任何所需蛋白质的能力——而且速度很快,也是。对果蝇大脑进行多种颜色的成像只花了62.5小时,与使用电子显微镜相比,Boyden,Betzig,他们的同事1月17日报告说,2018年,在杂志上,科学类.

Betzig说:“我可以看到我们每天至少成像10个苍蝇的大脑。”现在是加州大学HHMI研究人员,伯克利。这样的速度和分辨率将让科学家提出新的问题,他说,就像男性和女性大脑的不同,或者同样类型的果蝇的大脑回路是如何变化的。

博伊登的团队梦想着制作一张详细的大脑地图,你可以在计算机上模拟它。“我们在成像性能上已经跨过了一个门槛,”他说。“这就是我们如此兴奋的原因。我们不仅仅是逐步扫描更多的脑组织,我们在扫描整个大脑。”

扩大大脑

绘制大脑的详细地图需要绘制出大脑的活动和线路图。由800多亿个神经元组成的数千个连接。这样的地图可以帮助科学家发现大脑疾病的起源,打造更好的人工智能,甚至可以解释行为。“这就像是神经科学的圣杯,”博伊登说。

几年前,他的团队想出了一个办法来弄清楚每件事情是如何组织的:如果他们真的能让大脑变得更大——大到可以看到里面的东西呢?通过向样本中注入可膨胀的凝胶——就像婴儿尿布里的东西一样——研究小组发明了一种扩大组织的方法,使里面的分子不那么拥挤,在显微镜下更容易看到。分子锁定在凝胶支架中,即使在膨胀后仍然保持相同的相对位置。

但要拍摄大量组织的图像并不容易。样本越厚,只照亮你想看的部分就越困难。在样品上放太多的光会使其光漂白,燃烧科学家用来照亮细胞的荧光“灯泡”。

把一个样本扩大4倍,它的体积就会增加64倍,因此成像速度也变得至关重要,Gao说。“我们需要的是一种快速的、不需要太多光漂白的东西,我们知道在Janelia有一个非常棒的显微镜。

点阵薄片显微镜将超薄的薄片光扫过标本,只照亮显微镜聚焦平面上的那一部分。这有助于焦点外的区域保持黑暗,防止标本的荧光被熄灭。

当Gao和浅野第一次在晶格范围内测试他们的老鼠组织膨胀时,他们看到神经元的树枝上伸出一丛发光的核。这些小块,称为树枝状刺,经常看起来像蘑菇,球根状的脑袋长在细脖子上,很难测量。但是科学家们甚至能够看到“尽可能小的脖子”,浅野说,同时成像附近的突触蛋白。

“这是令人难以置信的印象,”贝齐格说。团队确信他们应该进一步探索这种组合技术。“从那以后,我们一直在这么做,”他说。

大脑和其他

在过去的两年里,Gao和Asano在Janelia待了几个月,与生物学家合作,显微镜专家,物理学家,以及校园里的计算机科学家们来捕捉和分析图像。“这就像复仇级的合作,”高说,指的是漫画书中的超级英雄。

Yoshinori Aso和FlyLight团队提供了高质量的果蝇大脑样本,Gao和Asano扩展了这个模型,并在每个大脑中收集了大约50000个数据块,形成了一种三维拼图游戏。这些图像需要复杂的计算缝合才能把碎片拼起来,由Stephan Saalfeld和Igor Pisarev领导。“斯蒂芬和伊戈尔拯救了我们的培根,”比齐格说。“他们处理了图像处理的所有可怕的小细节,并让它在每个数tb的数据集上工作。”

接下来,来自哈佛医学院的Srigokul Upadhyayula,报告的共同第一作者,通过分析200兆兆字节的数据组合,制作出令人惊叹的电影,生动地展示了大脑的错综复杂。他和他的合作者研究了1500多根树突刺,使老鼠神经细胞绝缘的脂肪鞘,强调所有多巴胺能神经元,并计算了整个果蝇大脑的所有突触。

Boyden团队扩展技术的细微差别使其非常适合格点范围;这项技术生产出几乎透明的样品。对于显微镜来说,就像在水里看一样,而不是分子黏液的混浊海洋。“结果是,与早期的显微技术相比,我们在非常大的体积上以极快的速度获得了晶莹剔透的图像,”博伊登说。

仍然,挑战仍然存在。就像任何一种超分辨率荧光显微镜一样,Betzig说,很难用足够多的荧光灯泡来装饰蛋白质,使其在高分辨率下清晰可见。由于膨胀显微镜需要很多加工步骤,仍然有可能引入工件。因为这个,他说,“我们非常努力地验证我们所做的一切,其他人也应该这样做。”

现在,Gao和Janelia团队正在建造一种新的点阵光学显微镜,他们计划搬到波伊登在麻省理工学院的实验室。“我们的希望是迅速绘制出整个神经系统的地图,”博伊登说。

故事来源:

材料所提供的霍华德休斯医学院.注:内容可根据风格和长度进行编辑。


期刊引用:

  1. Ruixuan高,Shoh M。浅野Srigokul Upadhyayula,伊戈尔·Pisarev丹尼尔·E。米尔琪,Tsung-Li刘,辛格,奥斯汀的坟墓,恩典H。黄齐,雍欣朝John Bogovic詹妮弗·科内尔,卡洛琳M奥特,克里斯托弗·祖盖茨,苏珊·塔潘,阿尔弗雷多·罗德里格斯基肖尔河Mosaliganti,Shu-Hsien功能H.Amalia Pasolli宋庞C。山,肖恩·G。Megason哈拉尔德赫斯,Jennifer Lippincott-SchwartzAdam Hantman杰拉尔德·M。鲁宾,汤姆·科切豪斯斯蒂芬·萨尔菲尔德,Yoshinori Aso爱德华。Boyden,和埃里克Betzig。具有分子对比度和纳米分辨率的皮质柱和全脑成像.科学类,2019 DOI:10.1126 / science.aau8302

引用这一页:

霍华德休斯医学院。“如何以纳米级分辨率快速成像整个大脑。”《科学日报》。betway必威安卓betway必威安卓科学日报,2019年1月17日。 .
霍华德休斯医学院。(2019年,1月17日)。如何在纳米级分辨率下快速成像整个大脑。 betway必威安卓.3月5日检索,2019年从www.sciebetway必威安卓ncedaily.com/releases/2019/01/190117142117.htm
霍华德休斯医学院。“如何以纳米级分辨率快速成像整个大脑。”《科学日报》。betway必威安卓www.betway必威安卓sciencedaily.com/releases/2019/01/190117142117.htm(浏览3月5日,2019)。

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