这些新工具正帮助你更深入了解大脑

大脑是人体中最神秘的器官。围绕大脑，我们还有许许多多的疑团未解开，比如大脑是如何工作的，神经元是如何连接的，某些区域由什么触发，它们与疾病有什么关系。一些计划和行动正在开展，希望更深入地了解大脑如何控制我们的行为。

当然，大脑研究还涉及到不同的学科，包括遗传学分析、细胞生物学研究、信号通路分析以及大脑成像。如今，神经科学家正利用各种各样的技术，从各个角度对复杂的大脑开展分析。

成像新工具

对神经科学实验室而言，成像技术是不可或缺的工具。观察神经元放电，或定位神经回路，为我们带来了大脑结构和功能的许多知识。不过，如何在不延长成像时间的前提下获取细节更丰富的图像，这一直是个难题。如今的新技术正努力在分辨率、速度和灵敏度之间达到最佳平衡。

新工具的改进突出了大脑的动态元素，而不再是纯静态成像。“捕获动态事件的能力至关重要，”尼康的战略营销经理Lynne Chang说。“在监控动物行为的同时，捕获大脑中单细胞的高分辨率图像实现了神经功能的研究和进一步的光遗传学研究。”

不过，动态研究的限制因素在于衍射极限，透镜的固有光学性质限定了光学显微镜的最大分辨率。超分辨率显微镜的开发打破了这种极限，让人们观察到真正的分子相互作用。将这种技术与其他技术（如活细胞成像或组织透明）相结合，神经科学家可以更全面地了解他们正在研究的过程。

2017年的美国神经科学学会年会上公布了一些最新进展。比如，蔡司的Airyscan能够检测微小结构、微弱信号和快速过程。它打破了衍射极限，利用针孔平面呈现实现了超分辨率。它的探测区域由32个单探测器元件组成，每个探测元件都作为一个非常小的针孔，因此Airyscan可以收集更多的光线，达到更高的分辨率。

尼康的N-STORM系统也在此次年会上展出。与传统的光学显微镜相比，它的分辨率有十倍的提高。“这种技术让研究人员既能够观察宏观的分子结构，又能够了解单细胞水平的分子间相互作用，”Chang谈道。

另一个激动人心的进展是生物显微镜用的物镜，来自尼康的CFI90 20XC Glyc，适用于透明组织的深层成像。“由于光的散射和折射，深层的组织成像一直极具挑战性。将组织、器官甚至整个生物体转化成透明样品的组织透明技术克服了这些挑战。CFI90 20XC Glyc的工作距离达8.2 mm，这实现了透明组织的超深层成像，”Chang解释说。

Logos Biosystems也开发出X-CLARITY组织透明化处理系统，可以加速并标准化组织透明的过程。基于原始的CLARITY方法，X-CLARITY始终如一地处理厚组织和薄组织，同时保留组织的亚显微结构。

大脑的全面研究

将这些新颖的技术相融合，研究人员如今可以更全面地了解某些大脑区域或感兴趣的功能。哈佛大学的神经科学家Jeff Lichtman参与了机器智能项目（MICrONS），主要负责绘制啮齿动物皮层的结构和功能。

这个项目将绘制每个神经元与其他脑细胞如何连接的图像，帮助揭开大脑如何发育和行使功能，并促进我们对神经系统疾病的了解，如自闭症。它的总体目标是对1立方毫米的皮层进行成像、重建、分割和注释，其中大约包含10万个神经元。

如果只使用普通的扫描电镜，大约需要几十年才能完成。如今，通过新的多光束成像技术，五个月就能够完成整个项目的这个部分。通过与蔡司的合作，研究小组开发出一种独特的扫描电子显微镜 – MultiSEM，以满足更高通量的大脑深层成像。

通常的流程是用光学显微镜观察活的小鼠，然后用X射线成像和扫描电子显微镜观察固定和染色的大脑，以便监控和观察外部刺激后的神经元激活和响应。这些数据基于功能信息生成回路图，并通过更高分辨率的成像而建立大脑的三维地形图。

为了在合理时间内拍摄这么多图像，MultiSEM利用61个电子束同时扫描超薄的大脑切片，同时让流程自动化运行。随后，在计算机上将这些切片重建成三维结构，以便分析连接的神经元。整个流程解决了一个棘手的问题，即如何使用各种技术对大脑的细节进行成像，又如何利用单一平台将所有数据整合在一起。

整合研究迈上新台阶

最近，尼康公司与艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）合作设计出一种开放式结构的多光子系统，将成像应用扩展到更大的样本。

传统多光子系统的主要限制在于镜头与平台之间的可利用空间。这限制了样本大小的选择。艾伦研究所和尼康合作开发出一种灵活的Nikon A1R MP多光子系统，可以容纳更大的标本，如小鼠或灵长类大脑。利用1K超高速共振扫描仪，这台共聚焦显微镜很适合活体成像和深层组织成像。

艾伦研究所正利用这个系统对小鼠皮层进行成像，他们设计让小鼠一边在转轮上跑动，一边从视频监视器中接受刺激。这个平台提供双光子时间延迟成像，也提供行为信息，如跑步速度和眼动追踪。通过这种方法，研究人员希望根据感官、行为和认知来产生神经活动的生理地图。

这种融合了多种成像方法的流程一方面提供了清晰图像，另一方面提供了行为信息，大大增加了我们对生物学过程的认识。

（作者：Jen Ellis / 生物通编译）