大脑神经网络亚细胞图谱构成

成像技术在生命科学领域的重要性不断凸显。2017年,三位生物物理学家凭借在冷冻电镜领域的贡献,简化了生物细胞的成像过程和质量,被授予诺贝尔化学奖。2020年,新冠疫情暴发之初,科学家第一时间对新冠病毒刺突蛋白和受体ACE2蛋白进行成像,研究新冠病毒的结构和侵入人体的过程,为后续的医药和疫苗研发提供重要线索。可以说,生命科学研究与成像技术发展之间相辅相成,推动我们对生命的认知从微观走向更微观。


科技日报北京5月29日电 (记者张梦然)英国弗朗西斯·克里克研究所科学家开发了一种成像技术,可在亚细胞水平(十亿分之一米)捕获有关脑组织结构和功能的信息,同时还可捕获有关周围环境的信息。近日发表在《自然·通讯》杂志的论文详述了这种独特方法,其克服了对不同尺度组织成像的挑战,使科学家能看到周围的细胞及其功能,从而构建出大脑中神经网络的完整图景。

现有各种成像方法可用于捕获有关组织、细胞和亚细胞结构的信息。然而,单一方法只能捕获有关组织结构或功能的信息,如果在纳米尺度上进行详细观察,就会丢失更广泛环境的信息。这意味着要全面了解组织,需要将各种成像技术结合起来。

研究人员开发的新方法结合了七种成像技术,包括体内成像、同步加速器X射线和体积电子显微镜等。他们通过对小鼠大脑的两个不同区域(嗅球和海马体)进行成像展示了新方法。该技术可应用于大脑的其他区域或身体的某些部位,能更详细地了解许多不同的生物结构和组织。

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,并观察当小鼠暴露于气味时哪些神经元处于活跃状态。在对小鼠实施安乐死后,他们使用各种方法对脑组织样本进行成像,包括同步加速器X射线断层扫描,该方法可捕获长达几毫米的样本。这种规模足以让科学家看到整个神经网络,以及特定细胞或其他结构位于样本更广泛背景下的位置,而且不会损坏该样品。

然后,团队成员选择特定区域用电子显微镜成像,以高分辨率捕捉复杂的细节。在某些目标区域,可映射小至10纳米的细节,能看到连接神经元的单个突触等微小结构。

最后,研究人员使用计算机算法将结果进行整合,创建了大脑部分结构和功能的完整图谱,最大可达几立方毫米。

团队表示,这一技术提供了一种可靠的方法来克服在不同尺度上成像结构的挑战。它将成为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强大工具。

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成像技术在生命科学领域的重要性不断凸显。2017年,三位生物物理学家凭借在冷冻电镜领域的贡献,简化了生物细胞的成像过程和质量,被授予诺贝尔化学奖。2020年,新冠疫情暴发之初,科学家第一时间对新冠病毒刺突蛋白和受体ACE2蛋白进行成像,研究新冠病毒的结构和侵入人体的过程,为后续的医药和疫苗研发提供重要线索。可以说,生命科学研究与成像技术发展之间相辅相成,推动我们对生命的认知从微观走向更微观。

来源:科技日报

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