2022-06-19

Nat Comm | 多尺度成像方法融合构建大脑神经网络亚细胞图谱

原创 图灵基因 图灵基因 2022-06-19 07:03 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

对生物组织进行更好的成像通常会导致更深入的了解。现在，科学家们已经开发出一种结合了七种成像方法的方法，包括体内成像、同步辐射X射线和体积电子显微镜。该方法称为基于传播的相位对比（SXRT）的同步辐射 X 射线计算机断层扫描，用于对小鼠大脑的两个不同区域——嗅球和海马体进行成像。SXRT提供亚细胞水平的环境，同时还捕获有关周围环境的信息。该技术可以应用于大脑的其他区域或身体的某些部位，使科学家能够更详细地了解许多不同的生物结构和组织。

这项工作发表在《Nature Communications》上的一篇题为“Functional and multiscale 3D structural investigation of brain tissue through correlative in vivo physiology, synchrotron microtomography, and volume electron microscopy”的文章中。

“我们的方法提供了一种可靠的方法，可以克服不同尺度成像结构的挑战。”Francis Crick研究所感觉回路和神经技术实验室首席实验室研究科学家Carles Bosch博士指出，“我们相信，这将成为研究哺乳动物大脑中神经回路以及其他组织的结构和功能的强大工具。”

研究人员使用体内钙成像技术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，使用各种方法对脑组织样本进行成像，包括同步辐射X射线断层扫描，该方法可以捕获长达数毫米的样本。这个尺度足以让科学家们看到整个神经网络，也足以让科学家们看到特定细胞或其他结构在更广泛的样本环境中所处的位置。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对其进行成像。

然后，研究人员选择了特别感兴趣的区域进行电子显微镜成像，以高分辨率捕捉复杂的细节。在某些目标区域，这可以绘制小至10 nm的细节，使研究人员能够看到像连接神经元的单个突触这样的微小结构。

更具体地说，他们写道，在嗅球中，“结合SXRT和SBEM可以消除体内指定的感兴趣区域的歧义。”并且，在海马体中，“CA1a中的浅层锥体神经元显示出比深层锥体神经元密度更大的棘突。”

利用计算机算法，他们将结果结合起来，绘制出他们所研究的大脑部分的结构和功能的完整图谱，最大可达几立方毫米。

“我们对将这种方法应用于大脑很感兴趣，在大脑中收集有关长度为几毫米的整个神经网络的信息以及有关特定神经元和突触的信息非常重要。”Crick感觉回路和神经技术实验室负责人Andreas Schaefer博士说，“但它在其他领域也有很大的潜力，如癌症生物学，研究人员旨在了解更广泛肿瘤背景下特定细胞的活性。”