2024-06-23 10:18 来源：本站编辑
几十年来，观察人类大脑中的任何东西，无论大小，都是神经科学的一个遥不可及的梦想，但在《科学》杂志上的一项新研究中，一个麻省理工学院的团队描述了一种技术管道，使他们能够以高分辨率和高速度对两个捐赠者的大脑半球进行精细处理，丰富标记和清晰成像，一个患有阿尔茨海默氏症，另一个没有。
麻省理工学院Picower学习与记忆研究所、化学工程系、大脑与认知科学系、医学工程与科学研究所的资深通讯作者兼副教授Kwanghun Chung说:“我们对人类脑组织进行了从单个突触到整个大脑半球的多种分辨率的整体成像，我们已经提供了这些数据。”
“这项技术确实使我们能够在多个尺度上分析人类大脑。这条管道有可能用于绘制人类大脑的完整图谱。”
这项新研究还没有呈现出整个大脑的全面地图或图谱，其中每个细胞、电路和蛋白质都被识别和分析，但通过全半球成像，它展示了一套集成的三种技术，可以实现这一研究和其他长期寻求的神经科学研究。
这项研究提供了一个“概念证明”，展示了大量的例子，包括整个大脑区域内数千个神经元的全景图，每个细胞的不同细节，以及坐落在细胞外分子之间的亚细胞结构。
研究人员还提供了丰富多样的定量分析比较，集中在阿尔茨海默病和非阿尔茨海默病半球的选定区域。
Chung说，能够完整地成像人类大脑的整个半球，并精确到单个突触(神经元形成回路的微小连接)的分辨率，对于理解健康和疾病中的人类大脑具有双重重要性。
一方面，它将使科学家能够使用同一个大脑对问题进行综合探索，而不是不得不，例如，观察不同大脑中的不同现象，这些现象可能差异很大，然后试图构建整个系统的合成图。新技术管道的一个关键特点是分析不会降解组织。
相反，它使组织非常耐用，并且可以反复重新标记，以突出不同的细胞或分子，以满足可能持续数年的新研究的需要。在论文中，Chung的团队演示了使用20种不同的抗体标签来突出不同的细胞和蛋白质，但他们已经将其扩展到100种或更多。
“我们需要能够看到所有这些不同的功能成分——细胞，它们的形态和连接，亚细胞结构，以及它们的个体突触连接——理想情况下，在同一个大脑内，考虑到人类大脑的高度个体差异和人类大脑样本的珍贵性质，”Chung说。
“这项技术确实使我们能够以完全集成的方式从同一个大脑中提取所有这些重要特征。”
另一方面，该管道相对较高的可扩展性和吞吐量(一旦准备好对整个大脑半球进行成像需要100小时而不是几个月)意味着可以创建许多样本来代表不同的性别，年龄，疾病状态和其他因素，可以通过增加统计能力进行可靠的比较。
Chung说，他设想建立一个全成像大脑的脑库，研究人员可以根据新的研究需要分析和重新标记，以便对他和合著者在新论文中与阿尔茨海默氏症和非阿尔茨海默氏症半球进行更多的比较。
三大关键创新
Chung说，要实现论文中描述的进展，他面临的最大挑战是在麻省理工学院组建一个团队，其中包括三位特别有才华的年轻科学家，他们都是论文的共同主要作者，因为他们在产生三大创新方面发挥了关键作用。
机械工程师、前博士后王吉(Ji Wang)开发了一种名为“巨脑刀”(Megatome)的设备，可以将完整的人类大脑半球切割得非常精细，不会对其造成损伤。
材料工程师、前博士后Juhyuk Park开发了一种化学物质，使每个大脑切片清晰、灵活、耐用、可扩展、快速、均匀和反复标记——这种技术被称为“mELAST”。
韦伯斯特·关(Webster Guan)是麻省理工学院(MIT)前化学工程研究生，擅长软件开发，他创建了一个名为“UNSLICE”的计算系统，可以无缝地重新统一这些平板，以全3D的方式重建每个半球，精确到单个血管和神经轴突(它们延伸的长链，用于与其他神经元建立连接)的排列。
没有技术允许在不先切片的情况下以亚细胞分辨率对整个人脑解剖结构进行成像，因为它非常厚(它的体积是老鼠大脑的3000倍)而且不透明。但在Megatome中，组织没有受到损伤，因为Wang现在就职于钟丽珍创立的一家名为LifeCanvas Technologies的公司，他设计了刀片，使其左右振动更快，而且比以前的振动刀更宽。
同时，她还精心制作了仪器，使其完美地保持在飞机内，Chung说。其结果是，切片在分离处或其他任何地方都不会丢失解剖信息。而且由于振动刀切割速度相对较快，可以切割较厚(因此更少)的组织块，因此可以在一天内切割整个半球，而不是几个月。
成像和分析流程的技术流水线用丰富标记的样本图像来区分大尺度的大脑结构(左)，到电路，到单个细胞到单个突触(右)。来源:Chung Lab/MIT Picower Institute
管道中的板坯可以变厚的一个主要原因来自mELAST。帕克设计了水凝胶，注入大脑样本，使其在光学上清晰，几乎坚不可摧，可压缩，可扩展。结合Chung实验室近年来开发的其他化学工程技术，样品可以均匀快速地注入抗体标签，突出显示感兴趣的细胞和蛋白质。
作者在研究中报告说，使用实验室定制的薄片显微镜，可以在大约100小时内对整个半球成像，直到单个突触。朴槿惠现在是韩国首尔国立大学的助理教授。
帕克说:“这种先进的聚合物网络可以对组织的物理化学特性进行微调，使完整人脑的多路多尺度成像成为可能。”
在每个平板成像后，接下来的任务是通过计算恢复整个半球的完整图像。Guan的UNSLICE在多个尺度上做到了这一点。例如，在中间或“中观”尺度上，它通过算法跟踪从相邻层进入一层的血管，并将它们匹配起来。但它也采用了一种更精细的方法。
为了进一步记录这些板，研究小组故意用不同的颜色标记相邻的神经轴突(就像电器装置中的电线)。Chung说，这使得UNSLICE能够根据追踪轴突来匹配层。关现在也在lifeccanvas工作。
在这项研究中，研究人员列举了大量的例子来说明管道的作用。第一张图展示了成像技术可以让人们对整个大脑半球进行丰富的标记，然后从整个大脑结构的大范围放大到回路的水平，然后是单个细胞，然后是亚细胞成分，比如突触。
其他图像和视频展示了标记的多样性，揭示了长轴突连接和不同细胞类型的丰度和形状，不仅包括神经元，还包括星形胶质细胞和小胶质细胞。
在轨道上可以看到的对比
大脑皮层
对照和阿尔茨海默氏症大脑样本:请注意，在第二轮标记中，阿尔茨海默氏症样本(下一行)中可以看到更多的β淀粉样蛋白(AB)。在第5轮中，磷酸化的Tau蛋白(pTau)也是如此。来源:Chung Lab/MIT
探索阿尔茨海默氏症
多年来，Chung一直与共同作者Matthew Frosch合作，Matthew Frosch是一名阿尔茨海默病研究员，也是马萨诸塞州总医院脑库的主任，他们对阿尔茨海默病的大脑进行了成像和理解。
随着新的管道的建立，他们开始了一个开放式的探索，首先注意到在一块组织中，与对照组相比，他们看到疾病样本中神经元损失最大的地方。从那时起，他们跟随自己的好奇心——技术允许他们这样做——最终产生了一系列详细的调查，论文中描述了这些调查。
“我们并没有事先安排好所有这些实验，”Chung说。“我们只是说，‘好吧，让我们想象一下这个平板，看看我们看到了什么。我们确定了大量神经元丢失的大脑区域，让我们看看那里发生了什么。“让我们再深入一点。”因此，我们使用了许多不同的标记来表征和观察致病因素与不同细胞类型之间的关系。”
“这个管道使我们几乎可以无限制地获取组织，”Chung说。“我们总是可以回头看看新的东西。”
他们将大部分分析集中在每个半球的眶额皮质上。他们所做的许多观察之一是突触损失集中在与淀粉样斑块直接重叠的区域。在斑块区域之外，阿尔茨海默氏症患者的突触密度与未患该疾病的人一样高。
Chung说，只有两个样本，研究小组当然不能就阿尔茨海默病的本质得出任何结论，但这项研究的重点是，现在有能力对整个人类大脑半球进行全面成像和深入分析，从而使这种研究成为可能。
值得注意的是，这项技术不仅适用于大脑，还同样适用于身体的许多其他组织。
作者总结道:“我们设想，这种可扩展的技术平台将促进我们对人体器官功能和疾病机制的理解，从而促进新疗法的发展。”
更多信息:Juhyuk Park等人，人脑多尺度分子成像和表型综合平台，Science(2024)。DOI: 10.1126 / science.adh9979。www.science.org/doi/10.1126/science.adh9979期刊信息:Science由麻省理工学院提供
本文由麻省理工学院新闻(web.mit.edu/newsoffice/)转载，这是一个报道麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。
引用:技术使整个人脑半球的亚细胞分辨率的3D成像成为可能(2024年6月13日) 作品受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。的有限公司 内容仅供参考之用。
