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MIT 大牛用尿布材料将大脑尺寸扩大了 20 倍

http://www.cphi.cn   2017-04-20 10:42 来源:转载

近日,《自然》子刊《Nature Methods》上发表了一篇论文,而它立刻得到了《科学》官网的报道,这是重磅新闻才能享受的殊荣。这则被两家顶尖学术期刊共同关注的研究出自 MIT 的著名科学家 Ed Boyden 教授之手。他的团队发明的“大脑倍增术”将大脑尺寸扩大了 20 倍,让神经学家能在普通的光学显微镜下,以极高的分辨率观察大脑结构,甚至清晰地分辨出不同的突触蛋白。

  近日,《自然》子刊《Nature Methods》上发表了一篇论文,而它立刻得到了《科学》官网的报道,这是重磅新闻才能享受的殊荣。这则被两家顶尖学术期刊共同关注的研究出自 MIT 的著名科学家 Ed Boyden 教授之手。他的团队发明的“大脑倍增术”将大脑尺寸扩大了 20 倍,让神经学家能在普通的光学显微镜下,以极高的分辨率观察大脑结构,甚至清晰地分辨出不同的突触蛋白。

  ▲Ed Boyden 教授是光遗传学的奠基人之一,也因此为世人所熟知

  对于生物学家来说,仅仅是将生物样本放大,就足以获得大量新知识。几百年前,显微镜让人类知道了细胞的存在。如今,更高级的显微镜则让科学家们能看清细胞内不同蛋白的运作。在日新月异的科技发展面前,MIT 生物工程系研究脑与认知科学的 Boyden 教授有了一个新想法。“我们想要了解整个大脑回路的布局,”他说道:“如果你能重建出一个完整的大脑回路,或许你就能利用计算模型,了解大脑是如何产生情感或是做出决定。当你了解到每一个生物分子的布局、细胞如何产生电信号、并且怎样交换化学物质后,你就有能力去模拟整个大脑。”

  然而大脑本身却不是一个适合观察的器官。它总体而言不透明,细胞与细胞之间排列组合错综复杂。利用现有的共聚焦显微镜(confocal microscope),科学家们能观察到的分辨率最高只有几百纳米。

  ▲科学家们希望有朝一日能还原出整个大脑回路的布局

  如果直接观察这些组织过于困难,我们为啥不能把这些组织变得更大呢?MIT 的科学家们想到了一种叫做聚丙烯酸酯的材料。这是一类高吸水性的分子,最常见的用途之一是婴儿尿布。在吸收了婴儿的尿液后,它的体积会扩大很多倍。研究人员意识到,这一特性也许能被用来扩大大脑样本的体积。

  在一项实验中,研究人员将大脑样本包埋在了这类分子中,并用带有荧光的标记分子去识别特定的蛋白靶点。等到这些标记分子就位后,研究人员用蛋白酶清除样品中的蛋白质(包括那些让组织粘连在一起的蛋白),然后给样本加上了水。在吸收水分后,随着吸水性材料的不断膨胀,大脑样本也随之慢慢扩大。在此过程中,那些荧光标记分子依旧保持着各自相对的位置,从而反映了大脑样本原有的结构。利用未被蛋白酶降解的标记分子留下的荧光,研究人员就能估算出大脑样本扩大的倍数。

  这种简单的方法能在线性维度上,将大脑扩大 4.5 倍。这一看似微小的变化,能将分辨率从几百纳米提高到 60 纳米。在共聚焦显微镜下,原本模糊一片的样品,变得无比清晰。

  ▲尿布材料让大脑样本变得清晰无比

  这是一个巨大的突破——它首次让科学家们能以常规的光学显微镜,达到只有昂贵的显微镜才能看到的效果。但研究人员对此依旧不满意。“单独的生物分子还要小,它们只有 5 纳米,甚至更小,” Boyden 教授说道:“这套技术能回答许多科学上的问题,但和电子显微镜等最高清晰度的成像手段还无法同日而语。”因此,研究人员并没有停下脚步,而是继续钻研让放大倍数继续增加的可能性。

  在一些初步的实验中,研究人员发现,如果减少把这些吸水分子链接起来的交联物,大脑的体积就能得到进一步扩大。这就好像较薄的气球更容易被吹起来一样,很容易理解。但容易吹起来的气球也容易破,这套系统也有同样的问题。如果减少这些交联物,大脑结构会在膨胀的过程中变得不稳定,甚至是乱七八糟。这可不是研究人员想看到的。

  “如果你减少交联物的密度,这些多聚体就不能在膨胀过程中很好地保持自身的结构,” Boyden 教授评论说:“很多信息就这样丢失掉了。”

  ▲第二种凝胶让大脑样本得以进一步扩大

  那有什么办法能让大脑组织在膨胀的过程中保持结构稳定呢?研究人员用上了另一种特殊的凝胶——在大脑样本随着吸水分子的膨胀而倍增后,研究人员把这些样本放到了特殊的凝胶里,让凝胶去破坏原有吸水分子间的交联。但与此同时,这种凝胶的特性让大脑的结构依旧保持稳定。随后,研究人员再次让这些样本膨胀,进一步放大它的尺寸。

  这样一来,大脑样本的尺寸能被额外扩大 4 倍左右。换句话说,普通大脑样本的尺寸在线性维度上能被扩大到 20 倍左右,分辨率达到了 25 纳米。

  ▲用常规的显微镜,人们首次能以如此高的清晰度看到大脑内的结构

  这与目前的一些高级显微镜能达到的分辨率旗鼓相当。但这套技术的成本要低得多,实际操作上更方便,也不需要特殊的试剂和仪器。

  利用这套技术,研究人员不但能看到影响突触内数百种蛋白结构的支架蛋白,更能清楚地观察到神经递质受体在突触后细胞表面上的分布。这些观察结果有助于神经科学领域的最新研究。

  尽管离还原整个大脑的布局还有一定距离,但 Boyden 教授对此表示乐观。他认为在接下来的几年,他们有望从突触的支架蛋白和信号蛋白入手,开始还原它们在大脑中的布局。这一前景让人感到兴奋。

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