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江蘇菲亞生物科技有限公司

神經(jīng)科學家有了新的工具包

時間:2018-8-23閱讀:483
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 對于大腦的結構和功能,我們已經(jīng)知道了不少,但似乎還不夠。顯微鏡正在幫助我們不斷擴大這方面的知識。

如今,越來越精細的光學成像技術正幫助神經(jīng)科學家映射信號,將神經(jīng)通路與生物體的行為相關聯(lián)。他們現(xiàn)在有了一個工具包,有望揭開大腦的復雜結構和功能。在這個工具包中,既有讓腦組織變得透明的化學物質,又有提高時空分辨率的*顯微鏡。

更清晰的圖像

對大腦中的神經(jīng)元進行成像并不是一件輕松的事情。與其他組織一樣,大腦是由各種生物分子組成的,特別是脂類,它們會使光發(fā)生散射。在成像過程中,這會阻止光的深度穿透,減少熒光基團的激發(fā),并終降低圖像的分辨率。之前,德國的研究人員設法讓心臟組織透明,這為神經(jīng)科學家提供了一些思路。

斯坦福大學Karl Deisseroth實驗室開發(fā)出一種名為CLARITY的方法。如今,它已成為讓組織透明的廣泛使用的技術之一。這種方法需要研究人員用甲醛、丙烯酰胺和熱引發(fā)劑的混合物來灌注組織。產(chǎn)生的水凝膠結構可作為支架,讓脂類得以去除,從而實現(xiàn)大腦的高分辨率成像。

在獲得透明的組織樣品后,研究人員可選擇一系列光學技術來定位組織結構,包括共聚焦、雙光子或激光片層掃描(light-sheet)顯微鏡。哥倫比亞大學的Raju Tomer曾是Deisseroth團隊的成員,他開發(fā)出為CLARITY優(yōu)化的激光片層掃描顯微鏡COLM。如今,這項技術已經(jīng)常規(guī)用于小鼠大腦的神經(jīng)連接映射。

海量的數(shù)據(jù)

對于用顯微鏡來研究大腦的研究人員來說,數(shù)據(jù)正成為一個大問題?,F(xiàn)在人們可獲取小鼠整個大腦的圖像,但在中等分辨率下,單個大腦的數(shù)據(jù)就高達幾TB。在高分辨率下,這種成像可能產(chǎn)生幾十TB的數(shù)據(jù),讓存儲和移動都變得很困難。此外,大量數(shù)據(jù)也使得人們難以分析和比較不同大腦的圖像。

終,答案可能以集成的方式出現(xiàn),而不是讓顯微鏡簡單地生成圖片。Tomer認為:“終我們要做的是改變顯微鏡,讓它們產(chǎn)生知識,而不僅僅是圖像。”而研究人員正在探索可視化及其他自動化分析工具,來追蹤基本的神經(jīng)過程。

深層次的秘密

即使激光片層掃描顯微鏡在繼續(xù)發(fā)展,但雙光子熒光顯微鏡仍然是大腦研究的主力軍。與兩倍能量的單光子相比,兩個或更多的近紅外波長光子產(chǎn)生較少的散射,對組織的損傷也較小。在涉及到大腦的深度、高分辨率成像時,這種技術就成為一種優(yōu)勢。

普渡大學的Meng Cui正利用自適應光學來改善成像的深度。自適應光學之前一直用在天文學中,可幫助天文學家改善望遠鏡的圖像質量。如今,它也能改善顯微鏡成像的深度和分辨率。在一個實驗中,Cui及其同事能穿透完整的小鼠頭骨(~150 µm厚),成功分辨了皮層內深度達180 µm的小膠質細胞的結構。

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