新X射線顯微鏡技術助力大腦地圖精確繪製

神經科學的重大任務之一是繪製精確的大腦地圖，包括所有的神經元以及它們之間的連接。大腦地圖（神經連接體）可協助研究人員闡明細胞集合是如何協同產生思想、記憶、行為以及其他功能的。

美國哈佛醫學院、波士頓兒童醫院和歐洲同步輻射設備（ESRF）的研究團隊9月14日在《自然神經科學》雜誌發文稱，他們利用X射線全息納米斷層掃描技術（XNH）在高解析度下對小鼠大腦和果蠅神經組織進行了成像。這也許能加速神經迴路及大腦的繪製工作進程。

此外，結合人工智慧驅動的圖像分析，研究人員還重建了密集的3D神經迴路，對神經元進行了全面分類，並在果蠅中追蹤到了從肌肉到中樞神經系統的單個神經元。

論文作者、波士頓兒童醫院的神經學助理教授Wei-Chung Allen Lee說：「我們認為，這將為理解大腦開闢新途徑，並幫助人們了解神經紊亂、影響大腦結構的疾病。」

神經連接體研究是一個巨大的挑戰，因為人類大腦大約有1000億個神經元，100萬億個神經連接。之前，科學家們已經在動物模型中取得了一定進展：利用電子顯微鏡對果蠅大腦的連續切片進行成像，再將圖像拼接起來進行分析。但這種方法需要耗費大量的時間和資源。為了開發新的成像方式，Lee等與專攻X射線顯微鏡和神經成像的Pacureanu實驗室合作，開始嘗試將XNH應用於神經組織。

XNH的工作原理是，將旋轉的組織樣本暴露在接近光速的高能X射線下，根據樣品引起的光束的微妙相移變化生成圖像。相比標準X射線成像，XNH的靈敏度更高。此外，通過與低溫成像技術相結合，XNH還能保護標本免受X射線能量的破壞。

為了對XNH生成的圖像進行解釋，研究小組利用了深度學習技術。作為原理證明，研究人員掃描了小鼠和果蠅的神經組織，重建了解析度達87納米左右的3D圖像。這足以讓研究人員全面可視化神經元並追蹤單個神經突。重要的是，重建過程只需幾天時間就能完成。

論文作者、ESRF科學家Alexandra Pacureanu表示：「這項技術以前也曾被應用於神經組織，但從未達到這次的高質量和高解析度，我們已經證明，我們能夠獲取足夠解析度用於追蹤神經突，並將研究方向轉向連接體。」

目前，XNH的解析度還不足以可視化突觸，研究人員尚需藉助電子顯微鏡數據進行比對分析。研究人員正致力於進一步優化XNH在生物組織成像中的應用。

科界原創

編譯：花花

審稿：西莫

責編：雷鑫宇

期刊來源：《自然神經科學》

期刊編號：1097-6256

原文連結：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200914114125.htm

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