人类还搞不清楚神经元连接？多尺度脑成像新技术来了！
来源：MIT News | 翻译：赵赫
麻省理工学院的研究人员近日开发出一种多尺度成像脑组织的新技术，这将使他们能够更加细致地观察细胞内分子，或是以更开阔的视角观察神经元之间的远程连接。
“这种以蛋白质组精确分析（MAP）而闻名的技术将会对科学家们正在进行的关于绘制人类大脑神经元连接和功能方面所做的努力有所帮助。”化学工程系Samuel A. Goldblith助理教授和麻省理工医学工程科学学院（IMES）与Picower学习与记忆研究所会员Kwanghun Chung这样说道。
科学技术类报刊的资深作者Chung在7月25日发行的《自然生物技术杂志》中说道：“我们启用了一项能调整整个大脑大小的化学程序，同时保留了其中几乎所有东西。我们保留了这种蛋白质体（生物样本中蛋白质的集合），我们保留了纳米级的细节，并且同时保留了大脑范围内的广泛连接。”
研究人员同时表明，该技术也适用于其他器官例如心脏、肺脏、肝脏和肾脏。
该论文的第一作者是博士后Taeyun Ku，研究生Justin Swaney和访问学者Jeong-Yoon Park。
多尺度成像
这种新型MAP技术基于一种组织转换的方法，这一方法被称为CLARITY，是Chung在斯坦福大学读博士后时所研发出来的。这个被称为CLARITY的方法可以保留脑组织内的细胞和分子并使其透明，因而可以使用3D技术使该细胞内的分子成像。在新的研究中，Chung找到了一种可以在同一组织样本中使大脑多尺度成像的方法。
Chung还说道：“没有任何一种有效的技术可以让你直接获取上达大脑区内所有连接方式，下至亚细胞信息和分子信息等诸如此类的多层次细节。”
为了实现这一目标，研究人员以一种几乎保留了所有细胞内蛋白质的方式开发了一种可逆地扩展组织样本的技术。然后，这些蛋白质便可以被荧光分子标记并最终成像。
该技术依赖于一种叫做丙烯酰胺聚合物的化学物质，用该物质来冲洗脑组织即可使其形成一个致密的凝胶。在这种情况下，该凝胶的密度将比使用CLARITY技术形成凝胶的密度高出10倍，这给了这些组织样本更强的稳定性。而这种稳定性可以让研究人员在不破坏组织样本结构完整性的前提下来变性和游离细胞内的蛋白质。
在蛋白质变性之前，研究人员依照Chung在CLARITY技术中的操作方法使用甲醛将其与凝胶连接，一旦蛋白质连接并且变性，凝胶将使原有组织样本扩大4到5倍。
“这是可逆的，你可以重复做很多次，”Chung说道，“你可以使用现成的分子标记物，例如抗体，来标记并且可视化所有这些被保留的生物分子的分布情况。”
有成千上万种市售抗体都可以用于荧光标记的特异性蛋白上。在这项研究中，研究人员就是通过从这些结构中找到标记的荧光蛋白，使这些诸如轴突和突触神经元结构成像。同时，研究人员也标记了那些可以让他们从神经胶质细胞中区分神经元的蛋白质。
“我们能够使用这种抗体来可视化任意一种靶向结构或分子，”Chung说道，“我们可以看到不同的神经元类型以及通过其投影来观察它们的连通性。同时我们也可以看到信号分子和在功能方面有着重要作用的那些蛋白质”。
高分辨率
一旦组织扩张，研究人员便可以使用任意一种常规的显微镜以高达60纳米的分辨率来观察其成像——这远远优于通常情况下的有着200-250纳米分辨率限制（受可见光波长的限制）的光学显微镜。研究人员也展示了使用这种方法研究相对较大的厚达2毫米的组织样本时其工作效果。
“就我所知，这是第一个在毫米级样本中使用超分辨率蛋白质组成像的范例。”Chung说道。
“在大脑映射方面这真是一项让人感到振奋的进步，这项技术空前详细地揭示了大脑分子及其相关结构。”一位并没有参与该研究的普林斯顿神经科学研究所的计算机科学教授Sebastian Seung如是说道。
目前，为映射人类大脑连接所做的一切都依赖于电子显微镜，但是Chung和他的同事们表明，拥有着更高分辨率的MAP成像技术可以更加准确地探明这些连接。
Chung的实验室现在正致力于加快成像和图像处理的速度，这很具有挑战性，因为从扩大的组织样本成像中产生的数据实在是太多了。
“它已然比其他技术容易得多，因为它的过程很简单，而且你可以用现成的分子标记，但我们的工作是试着让它变得更加简单。”Chung如是说。
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