Science ：新工具“照亮”大脑的复杂结构

近日，大约30,000名研究人员参加了美国神经科学学会（Society for Neuroscience）会议，其中有近5000人涌入了一个礼堂中，以期目睹哈佛大学（Harvard University）神经系统科学家Jeff Lichtman向公众展现的一些盐颗粒大小的小鼠大脑组织块的结构。当Lichtman将图像不断放大，填满了几个大投影屏幕后，其中一个大屏幕中的一小部分前所未有地显示了圆柱体形大脑组织的详细情况：680条神经纤维，79个名为树突的树枝状突出，以及774个神经突触（通过这种接头，化学信号可以从一个神经元传递到另一个神经元）。

就在几年前，研究者们还难以想象对一粒灰尘大小（仅为小鼠大脑的十亿分之一）的大脑皮质的内部详情进行如此精确的描述。但是近年来，Lichtman团队及其他研究团队所拥有的高分辨率全自动化电子显微镜技术不断进步，为研究者们“开启了一个新纪元”，使他们能在单个神经突触水平上研究大脑神经回路——国立神经障碍与中风研究所（National Institute of Neurological Disorders and Stroke）的项目负责人Yuan Liu如此说道。该研究所位于马里兰州贝塞斯达，她向Lichtman的研究提供了资金支持。【原文下载】

对于Liu而言，Lichtman的演讲是本次会议中最重要的部分，因为它向我们表明：有朝一日这些新技术将有助于实现极具争议的“大脑计划”（BRAIN Initiative）所许下的承诺（Science, 1 March, p.1022）。“大脑计划”由Barack Obama总统发起，旨在加速对人类大脑的结构和活动情况进行“画像”。她指出，“我们不能将所有的资金都用在技术的开发上”，但是这些资金投入的价值却在Lichtman等人的研究工作中“真正体现了出来”。

Lichtman在过去的数个月里对几千个厚约30纳米的大脑组织部分进行了组合；他的数据极为复杂，令人眼花缭乱，而其他人对此感到非常担忧。纽约市冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）的神经系统科学家Partha Mitra争辩道，虽然Lichtman的研究产生了100太字节的数据和一些漂亮的图像，但是却没有让我们重新认识人类大脑的复杂性是如何组织而成的。他指出，简单地描述神经回路在某一时刻的情况——“这对于那些希望了解大脑的人而言是远远不够的，我们甚至还没有深入到原子或分子水平。”“如果你将周围物体逐个原子地拆掉，你将会获得大量复杂的详细情况，但这并不是我们了解世界万物化学特性与物理特性的方式。”

Lichtman作为早期绘制神经回路详情图的先锋之一，多年以来一直都听闻到这类怀疑论。2007年，Lichtman等人推出了一种名为脑彩虹（Brainbow）的研究技术，它通过实验动物的饲养，使其神经元表达红色、绿色与蓝色荧光蛋白的随机组合，从而可对神经细胞进行区分。这项技术有助于对周围神经系统中的神经连接进行绘图，但是却无法区分出中枢神经系统（central nervous system, CNS）中紧密聚集并重叠的神经元。今年推出了最新版本的脑彩虹技术，它包含了更多的颜色，能够突显出细胞膜，而不是细胞体，并且还使用来自于不同物种的荧光蛋白，以便于更好地进行抗体荧光标记。Lichtman预言到，他们最终将会开始解开CNS神经连接体的谜团；但是他认为，电子显微镜仍然是目前追踪CNS神经元的最有效方法。

在突触水平上描绘大脑的情况，其分辨率比磁共振功能成像扫描（functional magnetic resonance imaging scan）的分辨率要精细1万亿倍；Lichtman的一名博士后Bobby Kasthuri承认道，许多人都觉得这种做法十分疯狂。但是Lichtman指出，电子显微镜新技术所给出的大脑详细情况是具有启发性的。他指出，举例来说，我们可以从大脑皮质的图像中得到一个明确的结论：仅仅根据轴突与树突的相交点，“你还无法推断出哪些结构是突触”。马塞诸塞州沃尔瑟姆市布兰迪斯大学（Brandeis University）的神经系统科学家Eve Marder补充道：“真正看到了那些研究内容，就可以让你制定出你的研究想法，而不是在那凭空想象。”

就在一些神经系统科学家为Lichtman图像的是非曲直进行辩论时，其它新兴技术也出现在圣地亚哥，吸引了研究者们的注意。斯坦福大学（Stanford University）的神经系统科学家Karl Deisseroth是光遗传学（optogenetics）和CLARITY技术的发明者。光遗传学是一种用途广泛的技术，能使神经元对光做出反应；而CLARITY是一种能使大脑组织变透明的技术。一群研究生们聚集在Deisseroth身边进行激烈的讨论；而在他旁边的显示屏幕上，一些放电的神经元如同幽灵般在闪烁着，向众人展示着Deisseroth最新的、尚未发表的研究成果。

此外，研究者们采用基因工程对实验动物的神经元进行改造，使它们在受到触发时发光，而一种名为SWIFT容积成像（SWIFT-volume imaging）的技术能够捕获这些动物体内大量神经回路的放电情况。为了观察活动中的神经元，研究者们在啮齿动物的头骨上钻了一个孔，并使用一种在新光学技术与计算机技术出现的背景之下应运而生的显微镜，对大量神经元的放电模式进行三维成像和分析；Deisseroth实验室中率先使用该技术的研究生Logan Grosenick指出，一次成像就可以拍摄1000多个神经元细胞。当实验动物在球上奔跑或在虚拟现实环境中学习不同的任务时，其神经元的活动情况都会被记录下来。

斑马鱼的躯体几近透明，透过躯体可以看到斑马鱼的神经细胞，因此这项技术同样也能够监测斑马鱼在不同状态下单个神经元的活动情况，例如在游泳时、在学习如何避开某些危险区域或游向其它有奖励的区域时的情况。剑桥市麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的神经系统科学家兼工程师Mehmet Fatih Yanik指出，这项技术有望对那些已知能影响行为的主要大脑结构的活动状态进行实时追踪。“我觉得这项技术很快就会被其他实验室所采纳，当然其中也包括我自己的实验室。”

不论新技术是否得到批准，人们对新技术的热情是难以压制的。Kasthuri在提到他的电子显微镜工作时说：“我永远都不会停止这项工作。”“我将会试图说服所遇到的每一个人，使他们相信这就是进行此类研究的方式。”聚集在Deisseroth宣传海报周围的年轻研究者们显然也同样感到兴奋不已：在星期三晚上5点，为期一周的会议即将结束时，会议保安不得不把他们赶出会场。

原文出处

Underwood E.Neuroscience. New tools light up the intricacies of the brain.Science. 2013 Nov 22【原文下载】