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来自研究机构

如何以纳米级的分辨率快速成像整个大脑

日期:
1月17日,2019
资料来源:
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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树突棘森林从小鼠皮层神经元的分支中伸出。
学分:Gao等人/Science 2019

埃里克·比齐格没想到这个实验会成功。

两位科学家,高瑞轩、肖旭野,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,称为膨胀显微镜,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。他们想看到跨越毫米或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。他在美国卫生部的珍妮亚研究院的研究小组利用他们的晶格光片显微镜对敏感活细胞的亚细胞动力学进行了三维成像。结合这两种显微镜技术可能提供快速的大范围脑组织的详细图像。

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,他被炸飞了。“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,也一样。用多种颜色成像苍蝇的大脑只需62.5小时,与使用电子显微镜相比,Boyden,Betzig,他们的同事1月17日的报告,2018年,在日记里,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,或者同一类苍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。我们不仅仅是扫描更多的脑组织,我们在扫描整个大脑。”

扩大大脑

制作大脑的详细地图需要绘制出它的活动和连线——在人类中,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?通过给样本注入可膨胀的凝胶——就像婴儿尿布里的东西——研究小组发明了一种扩张组织的方法,使分子内部不那么拥挤,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。

但对大体积的组织进行成像并不容易。样本越厚,光照你想看到的部分就越难。在样品上照太多的光会使它们褪色,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,高说。“我们需要一些快速的,没有太多光漂白的东西,我们知道在珍妮亚有一个很棒的显微镜。”

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。有助于不集中的区域保持黑暗,防止样品的荧光被熄灭。

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。这些核弹,称为树枝状刺,通常看起来像蘑菇,球根状的脑袋长在细脖子上,很难测量。但科学家们甚至能看到“最小的脖子”,Asano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,显微镜学家,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拼接才能将碎片重新组合起来,由Stephan Saalfeld和Igor Pisarev领导的工作。“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,哈佛医学院的斯里古尔·乌帕迪亚尤拉,报告的共同第一作者,分析了总共200兆字节的数据,并制作了令人惊叹的电影,以生动的色彩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,计算了整个大脑的所有突触。

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。

不过,挑战依然存在。就像任何一种超分辨率荧光显微镜一样,比齐格说,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工作,其他人也应该这样做。”

现在,高和珍妮亚团队正在建造一个新的点阵光片显微镜,他们计划搬到麻省理工的博伊登实验室。博伊登说:“我们的希望是迅速绘制整个神经系统的地图。”

故事来源:

材料所提供的霍华德休斯医学院.注意:内容可以根据样式和长度进行编辑。


日记帐引用以下内容:

  1. 高瑞轩,嘘。浅野斯里戈库尔乌帕迪亚尤拉,伊戈尔·皮萨雷夫,丹尼尔·E。米奇,刘宗莉,辛格,奥斯汀·格雷夫斯,格蕾丝H。休恩,赵永新,约翰·博戈维奇,詹妮弗·科内尔,卡罗琳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R.Mosaliganti,Shu-Hsien功能H.阿玛莉亚·帕索利,宋邦,C.单旭,肖恩·G。梅格森,哈罗德·赫斯,Jennifer Lippincott Schwartz,亚当·汉特曼,杰拉尔德·M。鲁宾,汤姆·科切豪斯斯蒂芬·萨尔菲尔德,麻生太郎,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,请2019 DOI:10.1126 / science.aau8302

引用此页以下内容:

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.1月28日检索,2019来自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(浏览日期:2019年)。

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