摘要：在最新出版的《科學》雜志上，由麻省理工學院（MIT）和霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的科學家們領銜的一支團隊，成功對果蠅的完整大腦進行了成像，清晰度達到了納米級！

在最新出版的《科學》雜志上，由麻省理工學院（MIT）和霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的科學家們領銜的一支團隊，成功對果蠅的完整大腦進行了成像，清晰度達到了納米級！這讓我們能夠看清大腦中，不同的神經細胞，乃至蛋白質在空間上的相對分布，對基礎科研有著極為重要的意義。

這一重磅研究，也登上了本期《科學》的封面。

嬰兒尿布與大腦研究

本研究的通訊作者之一是MIT的知名科學家Edward S. Boyden教授。他最初因在光遺傳學上的研究而聞名于世，最近幾年則在大腦成像領域有著諸多突破性的貢獻。2015年，他獲得了有“科學界奧斯卡”之稱的“科學突破獎”（Breakthrough Prize）。2018年，他也獲得了有諾貝爾風向標稱號的蓋爾德納獎。

▲Edward S. Boyden教授是本研究的通訊作者之一（圖片來源：Edward S. Boyden教授課題組）

在2015年左右，Boyden教授團隊向解析大腦的高清結構發起了沖鋒，目標是理清大腦在細胞、乃至蛋白層面上如何進行組合。為了實現這一目標，科學家們開發了一種看起來很有趣的研究方法：他們首先往大腦組織樣本中注射一種膠狀物質，隨后讓這些凝膠吸水膨脹，把大腦撐開。

從原理上看，這和嬰兒尿布中的材料吸水膨脹，有著異曲同工之妙。

這種看起來簡單的方法，在解析大腦結構中扮演了重要的角色。在長、寬、高的維度上膨脹擴大2倍，整個體積就會擴大8倍。由于膨脹后的大腦組織更為松散，對其進行顯微觀察就成為了可能。更關鍵的是，大腦樣本中的這些神經細胞，相對位置被凝膠所固定，并不會發生變化。

▲果蠅大腦的擴大過程（圖片來源：參考資料[1]）

正是因為這一突破，針對特定的大腦細胞或小型大腦區域，我們已經獲得了不少“高清地圖”。

兩種顯微技術的合力

在體積較小的大腦樣本中取得的成功，并不一定能被復制到大型腦組織里。這是因為樣本的體積越大，就越難對深埋其中的特定部分進行成像。如果單純為了“點亮”而增強光源，還會破壞用于做標記的熒光蛋白。可以說，這是一個兩難。

此外，大型腦組織在膨脹擴大之后，如何對整個結構進行快速的掃描成像，也就成了一個難題。“我們需要能夠快速成像，不會帶來太多光褪色（photobleaching）效應的顯微鏡”，本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士說道。而他們知道，HHMI的Eric Betzig教授課題組中，就有這么一臺高級的顯微鏡。

▲本研究的共同第一作者Ruixuan Gao博士（圖片來源：Edward S. Boyden教授課題組）

Betzig教授的顯微鏡叫做“晶格層光顯微鏡”（lattice light-sheet microscope）。它每次只會照亮超級薄的一層樣本，將對樣本的損害降到了最低。此外，它也能快速對樣本進行成像，這正是研究人員們所需要的技術。

順便一提，由于在顯微成像技術上的突破，Betzig教授曾獲得2014年的諾貝爾化學獎。

▲Betzig教授是2014年諾貝爾化學獎得主之一（圖片來源：諾貝爾獎官方網站）

這名諾獎得主起初并不相信他的顯微鏡能提供多少幫助，但他依然大度地邀請研究人員們前去嘗試。

Ruixuan Gao博士與另一名共同一作Shoh Asano博士帶去了一些經過膨脹擴大的小鼠大腦組織，在晶格層光顯微鏡下進行觀察。通過結合“擴大顯微技術”和“晶格層光顯微技術”，他們看到了神經元上的許多樹突棘結構。這種微小的結構看起來就像是蘑菇，有著龐大的頭部，以及細長的根部。過去，樹突棘的成像一直是一個挑戰。然而在兩種顯微技術的合力下，研究人員們連“最細小的根部”都可以看到。

▲研究人員們看到了樹突棘的“森林”（圖片來源：參考資料[1]）

“我簡直不敢相信數據的質量，” Betzig教授說道：“用一根羽毛，你就可以把（震驚的）我推倒。”

暢游果蠅的大腦

在驚人的圖像質量面前，兩支科研團隊迅速達成合作。在兩年多的時間里，Ruixuan Gao博士與Shoh Asano博士，以及其他生物學家，顯微鏡專家，以及計算機專家一道，拍攝了大量的圖片，并對其進行分析。

“我們就像是復仇者聯盟。” Ruixuan Gao博士這樣評論他們的合作關系。

▲看清大腦結構，一直是科研人員們的夢想（圖片來源：參考資料[1]）

這些研究帶來的最大亮點之一，就是對完整果蠅大腦的成像分析。從每個果蠅大腦中，科學家們都獲得了大約50000個立體圖像。隨后，計算機就像是做三維拼圖一般，把這些立體圖像拼成一個完整的果蠅大腦。

研究人員們說，他們研究了超過1500個樹突棘，觀察了保護神經細胞的髓鞘，標出了所有的多巴胺能神經元，并數清了整個果蠅大腦中存在的突觸。

這些圖像的清晰度高達60納米，成像過程不超過3天。隨著效率不斷提高，將來，我們有望在一天之內就對10個果蠅大腦進行立體成像。

“我們能用極快的速度，對非常大體積的樣本進行分析，獲得高清的圖像。”Boyden教授說道。

這一研究為神經科學帶來了極為重要的研究工具。它讓我們可以理解不同的神經環路如何組成，性別對大腦有怎樣的影響，疾病又會怎樣破壞大腦。

對研究神經科學的生物學家來說，這可能是最好的時代。