新技術(shù)實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建

近日，雜志《自然—方法學(xué)》Nature Methods雜志刊登了美國(guó)霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院及浙江大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員的研究成果“mGRASP enables mapping mammalian synaptic connectivity with light microscopy。”，研究人員合作開發(fā)出了一種稱為mGRASP的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡下快速準(zhǔn)確重建哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為了解大腦功能打開了新的篇章。

來(lái)自美國(guó)霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所的Jeffrey C Magee博士和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的Jinhyun Kim博士為這篇文章的共同通訊作者。來(lái)自浙江大學(xué)求是高等研究院的趙挺副教授與Jinhyun Kim博士為這篇文章的共同*作者。

大腦是由無(wú)數(shù)神經(jīng)元組成的信息計(jì)算和傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，要了解大腦的運(yùn)行機(jī)制，我們必須了解大腦中的基本計(jì)算單位—神經(jīng)元—是如何相互連接的。神經(jīng)元之間的連接部位稱為“突觸”。自上世紀(jì)以來(lái)，雖然神經(jīng)科學(xué)家發(fā)明了各種技術(shù)對(duì)突觸進(jìn)行定位，以確定神經(jīng)元之間的連接，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建仍是一項(xiàng)非常耗時(shí)和耗人力的工作，因?yàn)槟壳暗募夹g(shù)要借助于復(fù)雜的電子顯微成像才能對(duì)突觸進(jìn)行準(zhǔn)確定位。比如線蟲總共只有302個(gè)神經(jīng)元，但用電子顯微鏡重建其整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻花了10年以上的時(shí)間，而人類大腦有多達(dá)1000億個(gè)神經(jīng)元！因此快速的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建方法一直是神經(jīng)科學(xué)家夢(mèng)寐以求的技術(shù)。

2008年，來(lái)自斯坦福大學(xué)的華人科學(xué)家沈康（Kang shen）和美國(guó)洛克菲勒大學(xué)的Cornelia I. Bargmann聯(lián)合開發(fā)了一種稱為GRASP（green fluorescent protein reconstitution across synaptic partners）的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)活體神經(jīng)系統(tǒng)中的突觸定位。相關(guān)研究成果發(fā)表在了當(dāng)年的《Neuron》雜志上。

GRASP技術(shù)巧妙地利用了綠色熒光蛋白（GFP）標(biāo)記技術(shù)。GFP是一種在水母中發(fā)現(xiàn)的特殊蛋白，吸收藍(lán)光后會(huì)發(fā)出綠色熒光。GRASP技術(shù)將GFP的基因序列分割為兩部分，即將GFP拆成兩個(gè)組件，分離后的組件不具發(fā)光功能。沈康等通過(guò)在兩組神經(jīng)元中分別表達(dá)GFP的兩個(gè)組件的方法，來(lái)檢測(cè)神經(jīng)元間的距離，是否形成了突觸連接。當(dāng)兩組神經(jīng)元形成連接時(shí)，GFP的兩個(gè)組件在突觸部位會(huì)自動(dòng)組合形成完整的具有正常功能的GFP。GFP受藍(lán)色激光照射后，會(huì)產(chǎn)生綠色熒光，是原本透明的突觸結(jié)構(gòu)在黑暗的顯微鏡視場(chǎng)中清晰地顯示出來(lái)。如果兩組神經(jīng)元相距很遠(yuǎn)，則不會(huì)產(chǎn)生熒光。GRASP技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、高空間分辨率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于線蟲和果蠅研究中，但用于哺乳動(dòng)物大腦檢測(cè)還受到一定的限制。

在新文章中，研究人員對(duì)攜帶GFP組件的載體進(jìn)行了改造，開發(fā)出了哺乳動(dòng)物GRASP（mGRASP）技術(shù)。通過(guò)這一新技術(shù)，研究人員實(shí)現(xiàn)了小鼠大腦中神經(jīng)元突觸的定位。此外，研究人員還將生物、化學(xué)技術(shù)與計(jì)算機(jī)生物圖像信息學(xué)技術(shù)相整合，開發(fā)了一套完整的定量分析系統(tǒng)，利用這一系統(tǒng)可自動(dòng)將多個(gè)視場(chǎng)下的顯微鏡圖像拼接成包含完整神經(jīng)元的三維圖像，然后將圖像中神經(jīng)元的形態(tài)及其突觸提取出來(lái)，轉(zhuǎn)化為易于分析的數(shù)字模型，從而使高通量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建成為可能。

研究人員估計(jì)，有了這樣的技術(shù)，可以使原需幾十年的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建工作在幾個(gè)星期內(nèi)完成。另外，該技術(shù)還可應(yīng)用于疾病機(jī)制的研究，比如自閉癥和帕金森病等神經(jīng)疾病可能與神經(jīng)元連接異常相關(guān)，通過(guò)mGRASP可以觀察這些疾病下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了怎樣的變化，從而推斷其病理機(jī)制。