神经科学 新工具点亮错综复杂的大脑

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脑神经的精细结构

合成的彩色电子显微镜图像揭示了老鼠大脑组织的细节，它比一粒沙子小，但包含680条神经纤维和774个突触。加利福尼亚，圣地亚哥——上周，大约有30，000名研究人员参加了该协会，近5，000人参加了神经科学会议。这些人挤进一个礼堂，看哈佛神经学家杰夫·李奇曼展示一点盐大小的老鼠大脑。当放大并放在几个大投影屏幕上时，其中一小部分显示了以前圆柱形组织所没有的细节:680条神经纤维，79条被称为树突的分支，以及774条从一个神经元传递到另一个神经元的突触化学信号。

几年前，如此精确地记录下大脑皮层的一个微小斑点——只有老鼠大脑的十亿分之一——是不可想象的。马里兰州贝塞斯达的国家神经疾病和中风研究所赞助了李奇曼的工作，该研究所的项目负责人之一刘元说，由于李奇曼组织和其他人的努力，高通量和自动电子显微镜技术已经取得了进展，对单个突触上的脑回路的研究正在开启“一个新时代”对刘源来说，里克曼的讨论是会议的亮点，因为它表明新技术和新工艺总有一天会实现。

美国总统巴拉克·奥巴马的有争议的大脑倡议(科学，3月1日，第1022页)承诺加速人类大脑结构和活动的绘图。“我们不能把所有的钱都花在科技发展上，”她说。但是这些投资的价值“真实地反映”在像里奇曼这样的工作中。对其他人来说，里士满令人眼花缭乱的复杂数据令人担忧。这些数据是在几个月内从数万个30纳米的薄片中获得的。纽约ColdSpringHarbor实验室的神经学家ParthaMitra认为，尽管产生了100tb的数据和一些美丽的图片，但它很少就大脑的复杂性如何构成提出新的想法。他说:“对于任何想了解大脑的人来说，仅仅描述这个层次的神经回路是不够的。我们甚至还没有达到原子或分子的尺度。”“如果你一个原子一个原子地分解你周围的物体，你会得到许多复杂的细节，但这不是我们了解世界的化学和物理性质的方式。”

作为创建详细的神经电路接线图的早期先驱之一，李奇曼多年来一直听到这样的疑问。2007年，他和他的同事发表了Brainbow，这是一种通过喂食动物在它们的神经元中表达红色、绿色和蓝色荧光蛋白的随机组合来区分神经细胞的方法。该技术有助于绘制外周系统连接图，但不能区分密集和重叠的神经元中枢神经系统。今年发布了新版本的Brainbow，允许使用更多的颜色来突出细胞膜而不是细胞体，以及不同物种的荧光蛋白来更好地标记抗体。里克曼预言，他们最终将开始解开中枢神经系统连接群，但他说，电子显微镜仍然是追踪其细胞的最有效方法。

在一个显著的水平上绘制大脑地图——一个比功能磁共振成像扫描薄1万亿倍的分解——震惊了许多人，并且博比卡斯楚里，李奇曼的博士后学生，承认了这种方法。Richman说新的电子显微照片的细节可以被揭示。例如，他说，从皮质图像中得出了一个清晰的结论，根据这个结论，轴突和树突相交，“你不能仅仅推断突触，”马萨诸塞州沃尔瑟姆市布兰代斯大学的神经科学家伊夫马尔德补充道。真正看到是什么给了你一个构建自己想法的方法，比想象要好。

尽管一些科学家对李奇曼的照片的优点提出了质疑，但圣地亚哥的其他新兴技术正在向他们招手。一群研究生正围着斯坦福大学神经学家卡尔·德·索拉斯忙碌，他是光遗传学的发明者。他的发明是一种对神经元的光和透明性做出反应的技术，并广泛应用于使大脑组织透明。在他旁边，视频屏幕上闪现出发射区域的神经元，证明了戴索拉斯最新的尚未发表的想法。所谓的SWIFT体积成像技术可以捕捉动物体内被触发后会发光的转基因神经元。为了观察运作中的神经元，研究人员在啮齿动物的头骨上钻了一个洞，并用显微镜进行观察。由于新的光学和计算机技术，可以对大量的发射图案进行成像和分析。这一组神经元，3D-正如LoganGrosenick所知，一次有1000多个细胞。他是戴瑟罗斯实验室的研究生，也是这项技术的领导者。当动物在球上奔跑或在虚拟环境中学习不同的任务时，神经元可以被记录下来。

同样在斑马鱼中，通过其基本透明的肉对其神经细胞的观察是可见的，并且该技术可以在鱼游泳时监控单个神经元的活动，并学会避开某些区域或带着回报游到其他地方。剑桥麻省理工学院的神经科学家和工程师MehmetFatihYanik说，这项技术有望跟踪主要大脑结构中实时活动的行为。"我认为它将很快被其他实验室采用，包括我自己的实验室."

不管这是否合理，对新技术的热情是不能抑制的。“我永远不会停止这样做，”卡瑟里谈到他的电子显微镜工作时说。“我将努力说服我遇到的每个人，这是实现目标的途径。”这位年轻的研究人员聚集在戴瑟罗斯的海报周围，明显感受到了类似的兴奋:周三晚上5点，在为期一周的会议结束时，保安不得不将他们驱逐出大楼。