對(duì)于大腦的結(jié)構(gòu)和功能，我們已經(jīng)知道了不少，但似乎還不夠。顯微鏡正在幫助我們不斷擴(kuò)大這方面的知識(shí)。在這一期的《BioTechniques》上，Sarah Webb展示了一些最新的技術(shù)和工具。

如今，越來(lái)越精細(xì)的光學(xué)成像技術(shù)正幫助神經(jīng)科學(xué)家映射信號(hào)，將神經(jīng)通路與生物體的行為相關(guān)聯(lián)。他們現(xiàn)在有了一個(gè)工具包，有望揭開(kāi)大腦的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能。在這個(gè)工具包中，既有讓腦組織變得透明的化學(xué)物質(zhì)，又有提高時(shí)空分辨率的先進(jìn)顯微鏡。

更清晰的圖像

對(duì)大腦中的神經(jīng)元進(jìn)行成像并不是一件輕松的事情。與其他組織一樣，大腦是由各種生物分子組成的，特別是脂類，它們會(huì)使光發(fā)生散射。在成像過(guò)程中，這會(huì)阻止光的深度穿透，減少熒光基團(tuán)的激發(fā)，并最終降低圖像的分辨率。之前，德國(guó)的研究人員設(shè)法讓心臟組織透明，這為神經(jīng)科學(xué)家提供了一些思路。

斯坦福大學(xué)Karl Deisseroth實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出一種名為CLARITY的方法。如今，它已成為讓組織透明的最廣泛使用的技術(shù)之一。這種方法需要研究人員用甲醛、丙烯酰胺和熱引發(fā)劑的混合物來(lái)灌注組織。產(chǎn)生的水凝膠結(jié)構(gòu)可作為支架，讓脂類得以去除，從而實(shí)現(xiàn)大腦的高分辨率成像。

在獲得透明的組織樣品后，研究人員可選擇一系列光學(xué)技術(shù)來(lái)定位組織結(jié)構(gòu)，包括共聚焦、雙光子或激光片層掃描（light-sheet）顯微鏡。哥倫比亞大學(xué)的Raju Tomer曾是Deisseroth團(tuán)隊(duì)的成員，他開(kāi)發(fā)出為CLARITY優(yōu)化的激光片層掃描顯微鏡COLM。如今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)常規(guī)用于小鼠大腦的神經(jīng)連接映射。

海量的數(shù)據(jù)

對(duì)于用顯微鏡來(lái)研究大腦的研究人員來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)正成為一個(gè)大問(wèn)題。現(xiàn)在人們可獲取小鼠整個(gè)大腦的圖像，但在中等分辨率下，單個(gè)大腦的數(shù)據(jù)就高達(dá)幾TB。在高分辨率下，這種成像可能產(chǎn)生幾十TB的數(shù)據(jù)，讓存儲(chǔ)和移動(dòng)都變得很困難。此外，大量數(shù)據(jù)也使得人們難以分析和比較不同大腦的圖像。

美國(guó)政府資助的BRAIN計(jì)劃的主要內(nèi)容之一就是解決數(shù)據(jù)處理上的挑戰(zhàn)。一個(gè)可行的解決方案是采用更容易處理的新文件格式。例如，Philipp Keller開(kāi)發(fā)出一種稱為KLB的文件格式，讓移動(dòng)和存儲(chǔ)高分辨率的圖像文件變得更容易。其他一些工具能將圖像文件壓縮100倍，不過(guò)這意味著你可能會(huì)丟失一些信息。

最終，答案可能以集成的方式出現(xiàn)，而不是讓顯微鏡簡(jiǎn)單地生成圖片。Tomer認(rèn)為：“最終我們要做的是改變顯微鏡，讓它們產(chǎn)生知識(shí)，而不僅僅是圖像。”而研究人員正在探索可視化及其他自動(dòng)化分析工具，來(lái)追蹤基本的神經(jīng)過(guò)程。

深層次的秘密

即使激光片層掃描顯微鏡在繼續(xù)發(fā)展，但雙光子熒光顯微鏡仍然是大腦研究的主力軍。與兩倍能量的單光子相比，兩個(gè)或更多的近紅外波長(zhǎng)光子產(chǎn)生較少的散射，對(duì)組織的損傷也較小。在涉及到大腦的深度、高分辨率成像時(shí)，這種技術(shù)就成為一種優(yōu)勢(shì)。

普渡大學(xué)的Meng Cui正利用自適應(yīng)光學(xué)來(lái)改善成像的深度。自適應(yīng)光學(xué)之前一直用在天文學(xué)中，可幫助天文學(xué)家改善望遠(yuǎn)鏡的圖像質(zhì)量。如今，它也能改善顯微鏡成像的深度和分辨率。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，Cui及其同事能穿透完整的小鼠頭骨（~150 µm厚），成功分辨了皮層內(nèi)深度達(dá)180 µm的小膠質(zhì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。