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[转载]Science封面文章:MIT联合哈佛绘制出纳米级清晰度脑成像

已有 528 次阅读 2019-1-19 22:32 |个人分类:学术论文|系统分类:论文交流|文章来源:转载

Science封面文章:MIT联合哈佛绘制出纳米级清晰度脑成像

来源:BrainUp 集智俱乐部 2019-01-19

2019.1.18 《Science》封面


今天《Science》封面刊登了“清晰度达到纳米级的果蝇大脑成像”,对脑科学研究具有里程碑式的意义。该研究由麻省理工学院(MIT)和霍华德休斯医学研究所(HHMI)实验室共同完成。


参与该项目的2014年诺贝尔化学奖得主Eric Betzig教授本人也没有想到这个实验会成功。


Betzig教授目前任职于加州大学伯克利分校,担任分子与细胞生物学与实验物理系系主任,同时也是美国劳伦斯国家实验室的成员。




显微镜成像技术的突破



本文的共同第一作者Ruixuan Gao博士和Shoh Asano博士是霍华德休斯医学院(HHMI)教授Ed Boyden在麻省理工学院(MIT)实验室的成员。他们想用Boyden团队显微镜对大脑样本进行放大,原理利用化学方式使之像气球一样膨胀至平常的四倍,该技术称为“扩张显微镜”(expansion microscopy)

 

但为拍摄更大的组织块,看到跨越数毫米甚至更多的完整神经回路,需要一种高速、高分辨率、相对温和的显微镜,这种显微镜在完成成像之前不会破坏样本。

 

于是,他们求助于Betzig教授。



由于在显微成像技术上的突破,Betzig教授曾获得2014年的诺贝尔化学奖。Betzig教授的显微镜叫做“晶格层光显微镜”(lattice light-sheet microscope),以3D的方式对敏感的活细胞的快速亚细胞动力学进行成像。


Gao和Asano提出将这两种显微技术结合起来,快速的实现大面积脑组织的详细图像。


Betzig教授表示,“我最初听到这个方案感觉太粗糙了”,但他还是邀请了Gao和Asano来尝试。

 

“我本来想让他们看我的想法是对的,没想到,最终看到的图像的数据质量让我惊讶”。

 

之后,Betzig教授小组与Boyden教授小组开展紧密的合作,对果蝇和老鼠的整个大脑皮层厚度的部分进行成像。他们的组合方法提供了高分辨率和可视化任何想要的蛋白质的能力——而且速度也很快,大约是其他方法的1000倍。


老鼠大脑皮层,树突刺从神经元的分支中伸出。

来自:Gao 2019年1月18日《Science》


他们曾于2018年1月17日在《科学》杂志上发表了报告。“我们每天能至少成像10个苍蝇的大脑,”Betzig说,“这样的速度和分辨率将允许科学家们不断提出新的问题,比如果蝇大脑回路是如何变化的”。

 



绘制纳米级精确的大脑地图



Boyden教授的团队梦想绘制一张大脑地图,其精细程度可以在电脑上模拟。

 

“我们在成像性能上已经跨过了一个门槛”,他说,“这就是我们如此兴奋的原因”


这项成像技术组合不仅让科学家逐步扫描更多脑组织,而可以扫描整个大脑。


在人类身上,800多亿个神经元中的每一个都连接着数千个神经元。这些地图可以帮助科学家发现大脑疾病的起源,建立更好的人工智能,甚至解释行为。


“这是神经科学的圣杯“。




复仇者联盟级别的合作



在过去的两年里,Gao和Asano花了几个月的时间在Betzig实验室工作,他们与生物学家、显微镜学家、物理学家和计算机科学家一起在校园里捕捉和分析图像。

 

“这就像是复仇者联盟级别的合作”,Gao说。

 

Yoshinori Aso和FlyLight团队提供了高质量的果蝇大脑样本,Gao和Asano负责对样本进行扩展,在每个大脑中收集了大约5万块数据,形成了3d拼图。这些图像需要复杂的计算机缝合,才能把碎片拼在一起,这项工作由Stephan Saalfeld和Igor Pisarev领导。“Saalfeld和Pisarev拯救了我们”,Betzig教授说,“他们处理了图像处理的所有可怕的小细节,并让它在多个太字节(terabytes)数据集上工作。”


取自2019.1.18《Science》网站视频


接下来,来自哈佛医学院(Harvard Medical School)的Srigokul Upadhyayula分析了总共200太字节(terabytes)的数据,制作了令人惊叹的影片,生动地展示了大脑的错综复杂。

 

“这个研究是我学术生涯里难以置信的印象深刻”,Betzig教授说,”整个团队确信我们将进一步探索这种组合的大脑成像技术“。


现在,几个团队正在建造一种新的晶格层光显微镜。“我们希望迅速绘制出人类整个神经系统的地图”,Boyden说。



来源:脑友记BrainUp脑陆科技

翻译:BrainUp

原文:Science Daily

原文链接:

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190117142117.htm

编辑:孟婕


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