Subcellular Maps Brain Networks

弗朗西斯·克里克研究所的科学家开发了一种成像技术，可以在亚细胞水平上捕捉脑组织结构和功能的信息——一米的十亿分之一，同时还能捕捉周围环境的信息。

今天(2022年5月25日)发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的这一独特方法克服了在不同规模的组织成像的挑战，使研究人员能够看到周围的细胞以及它们的功能，因此他们可以构建大脑中神经网络的完整图像。

各种成像方法被用来捕捉关于组织、细胞和亚细胞结构的信息。然而，一种单一的方法只能捕捉关于组织结构或功能的信息，而在纳米尺度仔细观察意味着科学家失去了关于更广泛环境的信息。这意味着，要获得对组织的全面了解，成像技术需要结合。

在他们的研究中，科学家们开发了一种结合了七种成像方法的方法，包括体内成像、同步X射线和体积电子显微镜。他们通过对鼠大脑的两个不同区域——嗅球和海马体——进行成像来证明他们的方法。

重要的是，这项技术可以应用到大脑或身体的其他部位，让科学家们对许多不同的生物结构和组织有了更详细的了解。

成像过程的每一步都提供不同的信息。首先，研究人员使用体内钙成像来可视化大脑特定区域的神经元，并观察当小鼠暴露在气味中时哪些神经元是活跃的。

四张小鼠嗅球小球层同一区域的图像，使用不同的成像方法。

在对小鼠实施安乐死后，研究人员使用同步X射线断层扫描等多种方法对其脑组织样本进行了成像。同步X射线断层扫描可以捕捉长度达几毫米的样本。这样的尺度足以让科学家看到整个神经网络，以及样本中特定细胞或其他结构的位置。重要的是，这种方法不会损坏样本，因此可以使用另一种技术再次成像。

然后，研究人员选择了特别感兴趣的区域，用电子显微镜进行成像，以高分辨率捕捉复杂的细节。在一些目标区域，它可以绘制出小至10纳米的细节，使研究人员能够看到微小的结构，比如连接神经元的单个突触。

通过计算机算法，他们将结果结合起来，绘制出了他们所研究的大脑区域的结构和功能的完整地图，最高可达几立方毫米。

第一作者、克里克大学感觉电路和神经技术实验室的首席实验室研究科学家Carles Bosch说:“我们的方法提供了一种可靠的方法，以克服在巨大的不同尺度上成像结构的挑战。我们相信，这将是研究哺乳动物大脑中的神经元回路以及其他组织的结构和功能的有力工具。”

Andreas Schaefer资深作者、感官电路和脑科学实验室克里克说:“我们感兴趣的是将这种方法应用于大脑,,重要的是要收集整个神经网络信息几毫米的长度与特定神经元和突触的信息。

“但它在其他领域也有很大的应用潜力，比如癌症生物学，研究人员的目标是了解特定细胞在更广泛的肿瘤环境中的活动。”

研究人员与克里克实验室的电子显微镜团队合作，还与牛津郡的钻石光源、法国的欧洲同步加速器和瑞士的保罗谢勒研究所的同步加速器X射线团队合作。

研究小组将继续这项研究，使用这种成像方法来揭示嗅球的更多细节，并进一步改进这项技术。

参考文献:“Functional and multiscale 3D structural investigation of brain tissue through correlative in vivo physiology, synchrotron micro-tomography and volume electron microscopy” by Bosch, C. et al., 25 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30199-6