新技术为“脑计划”铺路

小鼠脑组织电镜图像来源:BOBBY KASTHURI

最近，神经病学协会会议的30000名参与者中有近5000人聚集在礼堂观看哈佛大学神经学家杰夫·李奇曼展示他的研究成果——老鼠大脑切片。当它们在几个大投影屏幕上放大时，一部分柱状组织呈现出前所未有的精细度:680根神经纤维、79个树突和774个突触。化学信号通过这些链接从一个神经元传递到另一个神经元。

显示的大脑皮层仅占老鼠大脑的十亿分之一，这样精确的细节在几年前是不可想象的。然而，近年来，高通量的进步和自动化电子显微镜的发展使李奇曼的团队“开启了一个新时代”马里兰州贝塞斯达国家神经疾病和中风研究所项目主任刘源说，研究人员可以在单个突触水平上研究大脑回路。NINDS资助了李奇曼的研究。

对刘来说，李奇曼的演讲是本次会议的亮点，因为他的报告显示，在未来的某一天，新技术可以实现美国总统奥巴马提出的备受争议的“大脑计划”，该计划旨在通过创新的神经技术加强对人脑的了解，并加快人脑结构和活动的绘图。刘说:“我们不能把所有的钱都花在科技发展上，但是李奇曼的研究确实显示了投资的巨大价值。”

对其他人来说，李奇曼从几万个只有30纳米厚的老鼠大脑切片中获得的数据不仅复杂、难以理解，而且令人担忧。纽约冷泉港实验室的神经学家帕萨·米特拉认为，除了生成100万亿字节的数据和一些精美的图片，它还有助于更深入地理解大脑的组织结构。他说:“对当前水平的神经回路的简单描述远远不足以彻底理解大脑。我们甚至还没有达到原子或分子水平。”米特拉补充道:“如果你在原子水平上分裂和分析你周围的任何物体，你会得到很多复杂的细节，但这不是我们理解世界的化学和物理特征的方式。”

作为该领域第一批创建详细神经回路分布图的学者之一，李奇曼多年来听到了许多质疑的声音。2007年，他和他的同事宣布了一项名为大脑彩虹的大脑成像技术。这项技术通过使用荧光蛋白照亮大脑内部的神经元，帮助科学家理解大脑是如何工作的。脑彩虹有助于描绘外围系统的连接，但不足以区分中枢神经系统中密集分布和重叠的神经元。今年发布的新版脑彩虹引入了更多的颜色，突出细胞膜而不是细胞体，并使用不同种类的荧光蛋白来更好地标记抗体。李奇曼预测他们最终会找到中枢神经系统连接器，但是他说电子显微镜仍然是追踪细胞最有效的方法。

李奇曼大学的博士后博比·卡瑟里说，对许多人来说，在突触层面绘制大脑地图是疯狂的，因为它需要1万亿倍于功能磁共振成像(fMRI)的分辨率。

李奇曼说，新电子显微照片中的细节将非常有启发性。马萨诸塞州布兰代斯大学的神经科学家伊芙·马尔德说:“例如，皮质地图的一个重要发现是，你不仅可以根据轴突和树突相交的位置推断突触，还可以通过这些细节形成一个清晰的框架，而不是停留在想象阶段。”尽管一些神经科学家质疑李奇曼图像的优缺点，但其他人认可这项新兴技术。一群研究生对斯坦福大学神经科学家卡尔·戴瑟罗斯的研究表现出极大的兴趣，并观看了由顶尖学者开发的使大脑组织透明的技术。戴瑟罗斯是光遗传学的创始人。除了戴瑟罗斯，处于兴奋状态的神经元在屏幕上不停地闪烁。这些都是戴瑟罗斯将要出版的最新作品。

SWIFT是一种成像技术，可以捕捉动物大脑神经回路的活动。为了更好地观察神经元的活动，研究人员在一只啮齿动物的头骨上挖了一个洞。戴瑟罗斯实验室的研究生洛根·格罗森尼克说，借助显微镜和计算技术，研究人员可以绘制大规模神经元的图像并进行分析。图像和分析过程可以同时包括1000多个细胞。在虚拟现实环境中，当动物玩耍或完成不同的任务时，它们的神经活动也可以同时被记录下来。

同样，当斑马鱼作为实验对象时，该技术也可以在鱼游泳或进行其他活动时监测鱼的单个神经元的活动。麻省理工学院的神经科学家和工程师麦赫迈特·法蒂赫·亚尼克说，这项技术有望跟踪主要大脑结构的实时活动。"我认为这项技术将很快被其他实验室采用，包括我的实验室."

卡瑟里说:“我不会停止手头的工作。对新技术的热情不可抑制。我准备尽最大努力让我身边的每个人相信这项技术是正确的。”(段鑫)

中国科学新闻(2013-12-04第三版国际版)