科學家繪製果蠅完整大腦高清圖,以追蹤神經元之間的連接

2020-12-06 澎湃新聞

科學家繪製果蠅完整大腦高清圖，以追蹤神經元之間的連接

研究人員利用電子顯微鏡重建了果蠅的一系列神經元。 Z. ZHENG ET AL. 圖

本報訊 科學家近日首次對黑腹果蠅的整個大腦進行了足夠詳細的成像，從而能探測每個神經元之間的單獨連接，或者說突觸。由此獲得的圖像資料庫可幫助研究人員描繪支撐果蠅嗅聞、嗡嗡叫、空中飛行等各種行為的神經迴路。

「可以說，這個數據集及其創造的研究機會是神經生物學領域最近發生的最重要的事情之一。」並未參與最新工作的美國哈佛大學神經生物學家Rachel Wilson表示，「世界上任何對此感興趣的人都可以下載這個數據集並且查明任何兩個神經元之間是如何『對話』的。」

同人類頭骨中的約1000億個神經元相比，含有10萬個神經元的果蠅大腦非常初級。但霍華德·休斯醫學研究所珍妮莉亞研究園區神經科學家Davi Bock認為，果蠅不只是「你在吃晚餐時從酒杯上揮手趕走的小汙點」。果蠅大腦中的一些系統，比如負責探測和記憶氣味的系統——可能和人類共享「通用的準則」。

為闡明單個突觸的特徵，Bock和同事利用了和傳統光學顯微鏡相比能分辨更細微細節的電子顯微鏡。他們將果蠅大腦浸在含有重金屬的溶液中。這些重金屬同神經元的細胞膜和突觸的蛋白質捆綁在一起。Bock解釋說，這使得大腦看上去像一團麵條，並且外面是黑色的，裡面是白色的。隨後，研究者用金剛石刀將大腦切成約7000片。每片都會被來自顯微鏡的電子束撞擊以產生圖像。

這一過程需要每秒能捕捉100幀的相機、一個使每個大腦切片快速進入納米尺度位置的機器人系統，以及將由此獲得的2100萬幅圖片拼湊在一起的軟體。產生的重建圖使研究人員得以聚焦單個突觸的特徵。

「這篇論文從技術成就的角度來說絕對是傑作。」洛克菲勒大學神經生物學家Cornelia Bargmann表示。Bargmann研究秀麗隱杆線蟲的神經系統。秀麗隱杆線蟲的302個神經元的布線圖，或者說連接組在1986年發表。為獲得果蠅的類似圖像，研究人員不得不利用獲得的最新圖像追蹤每個神經元同它在大腦內「聆聽」和「對話」的其他每個神經元之間的關聯。

迄今為止，Bock及其團隊針對大腦中一小部分神經元完成了此項工作。這部分大腦涉及學習和記憶氣味，被稱為蕈形體。這項日前在《細胞》雜誌上得以描述的研究，提供了關於果蠅嗅覺系統的新細節。比如，將氣味信息傳遞給蕈形體細胞的神經元形成了異常緊密的束狀物。目前，Bock團隊正在尋找關於果蠅如何從環境中嗅到氣味的線索。

如果全球的研究團隊成功描繪出果蠅大腦的完整布線圖，隨後他們將需要把這一信息同記錄活體果蠅大腦活動的其他技術結合起來。Bargmann表示，神經元之間的連接強度隨著不同情形和時間發生改變。「我在30年裡致力於研究一種生物體的連接組，而目前我們仍在探尋這一神經系統是如何工作的。」

不過，最新論文描述的技術能力表明，很快就有可能描繪出另一種在進化上同人類更接近的生物體的大腦連接組。「考慮到他們已經證實這些方法在果蠅身上奏效，斑馬魚具有同樣量級的複雜度。」Bargmann說，「我認為，我們可能很快在脊椎動物身上獲得突破。」

（原標題：科學家繪製果蠅完整大腦高清圖）

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