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新成像技术或将开启脑研究领域新时代

发布时间:2021-01-11 16:27:02 阅读: 来源:热风枪厂家

新成像技术或将开启脑研究领域新时代

经过CLARITY处理的小鼠大脑(右)变成了透明的。图片来源:HOWARDHUGHESMEDICALINSTITUTE/STANFORDUNIVERSITY  KarlDeisseroth的运气很好。3月份,这位美国加利福尼亚州斯坦福大学的神经学家、精神病医师、工程师,因为发展光遗传学——允许研究人员通过光操控神经活动的工具——而与别人分享了世界上最大的神经学奖。两周前,他被任命为总统巴拉克·奥巴马投入1亿美元资金的大脑研究计划的顾问。上周,在《自然》杂志上,Deisseroth展示了一种获得脑影像的新方法,很多研究人员称,这将彻底改变实验室研究这一错综复杂的器官的方式。   “这是神经学历史上的非凡事件之一。”加利福尼亚州索尔克生物研究所的神经学家TerrenceSejnowski这样评价Deisseroth使组织透明化的新方法——CLARITY。Sejnowski将这项技术与高尔基染色法相比较,后者在100多年前使科学家可以追踪特定神经元及其投射。“直到你真正看到它,否则你不会知道CLARITY有多惊人。”他说,“你不仅能看到单独神经元的详细图像,还能看到整个神经元群体、它们的投射以及大脑的内部结构。它的启迪作用很大,几乎拥有无限可能,可以使任何标记过的东西成像。”   这项技术可以使任何器官成为透明可见的,这也是Deisseroth试图改善脑影像技术时遇到的挑战。Deisseroth希望可以解析像精神分裂症和抑郁症这样的精神疾病。目前,制作一个大脑的3D影像需要将其组织切成数百个甚至数千个薄片,详细扫描每个薄片的影像并传入计算机,再精心调整各部分的位置。加利福尼亚大学(UC)洛杉矶分校的神经学家ArthurToga表示,通过数字方式将轴突重新缝合起来——每个大约相当于人头发直径的1/100——不仅耗费大量的计算机操作时间,还容易产生明显误差。切片和脑影像技术几十年里一直在改善,Toga认为,CLARITY可能很快会使该技术变得无用:“我将会和研究人员讨论这个问题。”   Deisseroth和同事研究了6年的CLARITY技术完全跳过切片这一步,克服了传统脑影像技术上的最大困难:用于形成细胞膜并保持神经元和其他大脑细胞及细胞器完整的脂肪分子,即脂质。就像油在阳光照射下的水中会产生七彩的光泽,这些分子将光分散到各个方向,导致光学显微镜不可能观察到大脑内部几百微米以下的情况。脂质也排斥很多物质,比如抗体,因此要想不对大脑进行切片就标记一些特殊类型的细胞是很困难的。   Deisseroth称,由于脂质有保持大脑结构的作用,因此研究中不可能去除它,否则“大脑里所有的物质就会分散”。而CLARITY首次通过向大脑,或其他任何组织中注射水基凝胶,以及一种大分子丙烯酰胺——这种物质通常用来通过电泳分离和分析DNA分子——来代替脂质。脂肪分子随后被电流和洗涤剂一起冲洗出来。Deisseroth表示,在直径为4毫米的小鼠大脑里,这一过程大约需要9天。   UC圣地亚哥分校的神经学家DavidKleinfeld指出,与之前将脂质转移出大脑组织的方法相比,“这一做法有了明显改善”。他说,尽管其他实验室曾试图清除大脑内的脂质,但是以前的尝试都由于组织过于脆弱而作罢。Kleinfeld称,他计划使用CLARITY来研究人的脑干,该区域的神经元由于被充满脂质的髓磷脂所包围而难以成像。关于这一计划,“我们很激动”。   Sejnowski表示,这项技术最令人兴奋的地方在于,它允许科学家使用标记物渗入大脑来标记一些特殊的细胞、神经递质或蛋白质;再将它们冲出;并使拥有不同标记物的大脑重新成像。“你可以一眼看到大脑中被标记的每一个分子。”他补充道,将该过程数字化将会使一些研究任务的完成加速百倍,例如对特定大脑区域中的神经元进行计数。   在发表于《自然》杂志的论文中,Deisseroth和同事描述了他们不仅使用该技术来获得小鼠的脑影像,还在对一位自闭症患者进行尸检时,使其脑部的一部分区域成像。实验证实,该方法对保存于福尔马林中的大脑同样适用。   将来科学家是否可以使用CLARITY来观察人的整个大脑呢?Kleinfeld称,尽管这一想法“并不离谱”,但它要求建造一个非常大的显微镜镜头。Deisseroth说:“我们还不能到达这个水平。”目前,现有的显微镜仅仅可以同时观察6~8毫米直径的大脑组织——大概是一个完整的成年小鼠大脑。Deisseroth认为,这样很方便,因为人类大脑皮层的核心计算单元大概就是这么大。   奥地利维也纳科技大学的神经影像专家HansUlrichDodt警告称,尽管他同意CLARITY在组织形态上是一个“巨大的进步”,但是该技术对其他实验室来说可能是危险和昂贵的。他曾致力于其他脑影像技术的研究。Deisseroth表达了对该方法需谨慎使用的看法,他称,丙烯酰胺是剧毒并致癌的,“因此需要采取安全预防措施,以防混乱和严重的事故发生”。不过他希望其他实验室可以找到新的易于应用的技术。他已经开设了很多研讨会来分享CLARITY。   马里兰州国家药物滥用研究所所长,同时担任资助该实验的国立卫生研究院(NIH)变革性研究奖评审之一的NoraVolkow认为CLARITY是“杰出的”。她说,Deisseroth是“一个非凡的,并且极具创造力的人”。 (见习记者张冬冬)  《中国科学报》(2013-04-18第3版国际)

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