近日,《自然》子刊《Nature Methods》上发表了一篇论文,而它立刻得到了《科学》官网的报道,这是重磅新闻才能享受的殊荣。这则被两家顶尖学术期刊共同关注的研究出自MIT的著名科学家Ed Boyden教授之手。他的团队发明的“大脑倍增术”将大脑尺寸扩大了20倍,让神经学家能在普通的光学显微镜下,以极高的分辨率观察大脑结构,甚至清晰地分辨出不同的突触蛋白。
▲Ed Boyden教授是光遗传学的奠基人之一,也因此为世人所熟知(图片来源:MIT)
对于生物学家来说,仅仅是将生物样本放大,就足以获得大量新知识。几百年前,显微镜让人类知道了细胞的存在。如今,更高级的显微镜则让科学家们能看清细胞内不同蛋白的运作。在日新月异的科技发展面前,MIT生物工程系研究脑与认知科学的Boyden教授有了一个新想法。“我们想要了解整个大脑回路的布局,”他说道:“如果你能重建出一个完整的大脑回路,或许你就能利用计算模型,了解大脑是如何产生情感或是做出决定。当你了解到每一个生物分子的布局、细胞如何产生电信号、并且怎样交换化学物质后,你就有能力去模拟整个大脑。”
然而大脑本身却不是一个适合观察的器官。它总体而言不透明,细胞与细胞之间排列组合错综复杂。利用现有的共聚焦显微镜(confocal microscope),科学家们能观察到的分辨率最高只有几百纳米。
▲科学家们希望有朝一日能还原出整个大脑回路的布局(图片来源:《科学》)
如果直接观察这些组织过于困难,我们为啥不能把这些组织变得更大呢?MIT的科学家们想到了一种叫做聚丙烯酸酯的材料。这是一类高吸水性的分子,最常见的用途之一是婴儿尿布。在吸收了婴儿的尿液后,它的体积会扩大很多倍。研究人员意识到,这一特性也许能被用来扩大大脑样本的体积。
在一项实验中,研究人员将大脑样本包埋在了这类分子中,并用带有荧光的标记分子去识别特定的蛋白靶点。等到这些标记分子就位后,研究人员用蛋白酶清除样品中的蛋白质(包括那些让组织粘连在一起的蛋白),然后给样本加上了水。在吸收水分后,随着吸水性材料的不断膨胀,大脑样本也随之慢慢扩大。在此过程中,那些荧光标记分子依旧保持着各自相对的位置,从而反映了大脑样本原有的结构。利用未被蛋白酶降解的标记分子留下的荧光,研究人员就能估算出大脑样本扩大的倍数。
这种简单的方法能在线性维度上,将大脑扩大4.5倍。这一看似微小的变化,能将分辨率从几百纳米提高到60纳米。在共聚焦显微镜下,原本模糊一片的样品,变得无比清晰。
▲尿布材料让大脑样本变得清晰无比(图片来源:《Nature Methods》)
这是一个巨大的突破——它首次让科学家们能以常规的光学显微镜,达到只有昂贵的显微镜才能看到的效果。但研究人员对此依旧不满意。“单独的生物分子还要小,它们只有5纳米,甚至更小,” Boyden教授说道:“这套技术能回答许多科学上的问题,但和电子显微镜等最高清晰度的成像手段还无法同日而语。”因此,研究人员并没有停下脚步,而是继续钻研让放大倍数继续增加的可能性。
在一些初步的实验中,研究人员发现,如果减少把这些吸水分子链接起来的交联物,大脑的体积就能得到进一步扩大。这就好像较薄的气球更容易被吹起来一样,很容易理解。但容易吹起来的气球也容易破,这套系统也有同样的问题。如果减少这些交联物,大脑结构会在膨胀的过程中变得不稳定,甚至是乱七八糟。这可不是研究人员想看到的。
“如果你减少交联物的密度,这些多聚体就不能在膨胀过程中很好地保持自身的结构,” Boyden教授评论说:“很多信息就这样丢失掉了。”
▲第二种凝胶让大脑样本得以进一步扩大(图片来源:《Nature Methods》)
那有什么办法能让大脑组织在膨胀的过程中保持结构稳定呢?研究人员用上了另一种特殊的凝胶——在大脑样本随着吸水分子的膨胀而倍增后,研究人员把这些样本放到了特殊的凝胶里,让凝胶去破坏原有吸水分子间的交联。但与此同时,这种凝胶的特性让大脑的结构依旧保持稳定。随后,研究人员再次让这些样本膨胀,进一步放大它的尺寸。
这样一来,大脑样本的尺寸能被额外扩大4倍左右。换句话说,普通大脑样本的尺寸在线性维度上能被扩大到20倍左右,分辨率达到了25纳米。
▲用常规的显微镜,人们首次能以如此高的清晰度看到大脑内的结构(图片来源:《Nature Methods》)
这与目前的一些高级显微镜能达到的分辨率旗鼓相当。但这套技术的成本要低得多,实际操作上更方便,也不需要特殊的试剂和仪器。
利用这套技术,研究人员不但能看到影响突触内数百种蛋白结构的支架蛋白,更能清楚地观察到神经递质受体在突触后细胞表面上的分布。这些观察结果有助于神经科学领域的最新研究。
尽管离还原整个大脑的布局还有一定距离,但Boyden教授对此表示乐观。他认为在接下来的几年,他们有望从突触的支架蛋白和信号蛋白入手,开始还原它们在大脑中的布局。这一前景让人感到兴奋。
参考资料
[1] Iterative expansion microscopy
[2] Expansion microscopy
[3] By blowing up brain tissue to 20 times its size, scientists see unprecedented details
[4] High-resolution imaging with conventional microscopes
来源:学术经纬
为你推荐

带状疱疹疫苗“遇冷”,百克生物2024年净利润腰斩
近日,国内疫苗龙头企业百克生物发布2024年年报,数据显示,其报告期内实现营收12 29亿元,同比下降32 64%;归属于上市公司股东的净利润2 32亿元,同比下降53 67%。对于营收...
2025-04-23 12:59

重庆常用药联盟接续集采中选结果
近日,重庆常用药联盟接续集采中选情况公布,该联盟由重庆牵头,联合湖北、广西、海南、贵州、云南、青海、宁夏、新疆及新疆生产建设兵团等十省(区、市)开展的药品集中带量采...
2025-04-21 18:48

全周期智控慢病,诺和诺德与京东健康开启战略合作
2025年4月21日,全球领先的生物制药公司诺和诺德与京东健康在北京正式签署战略合作协议,标志着双方在糖尿病和体重管理领域的合作进入新阶段。依托诺和诺德百年深耕慢病领域的专...
2025-04-21 15:57

康方生物1类新药依若奇单抗上市申请获批,用于中重度斑块状银屑病成人患者
该药是我国第一个且唯一获批上市的IL-12 IL-23“双靶向”单克隆抗体新药,是康方生物自身免疫性疾病领域首个获批上市的一类新药。
2025-04-21 13:39

阿斯利康乳腺癌1类创新药卡匹色替片中国获批
该药适用于联合氟维司群用于转移性阶段至少接受过一种内分泌治疗后疾病进展,或在辅助治疗期间或完成辅助治疗后12个月内复发的激素受体(HR)阳性、人表皮生长因子受体2(HER2)...
2025-04-21 11:02

辉瑞宣布终止一款口服GLP-1减肥药的临床开发
近日,辉瑞在其官网宣布,决定终止开发口服胰高血糖素样肽-1受体(GLP-1R)激动剂Danuglipron(PF-06882961),原因系在一项有关用药剂量的临床试验中,一名患者出现了可能由该...
2025-04-21 10:29

福建省医保局印发单列门诊统筹支付医保药品目录(2024年版)
根据2024年6月发布的《福建省医保药品单列门诊统筹支付管理办法(试行)》,为了让参保患者无需住院、在门诊就医也能用上国家谈判药品、享受医保待遇,将适用于门诊治疗、使用周...
2025-04-20 13:34

首批中国消费名品名单,医药健康企业有哪些?
近日,工业和信息化部办公厅发布首批中国消费名品名单,分为中国消费名品名单和中国消费名品成长企业名单。首批中国消费名品名单共包括93个企业品牌和43个区域品牌。中国消费名...
2025-04-20 11:17

携手共绘“个性化近视手术”新蓝图:爱尔眼科与爱尔康启动100家医院全光塑技术战略合作
双方将以技术共享为核心,以人才培养为支撑,以科研协作为纽带,全力推进屈光手术标准化诊疗体系建设,加速前沿技术在临床领域的普及应用
文/ 屈慧莹 2025-04-19 23:35

CDE:简化港澳已上市传统口服中成药内地上市注册审批申报资料及技术要求
允许香港、澳门特区本地登记的生产企业持有,并经香港、澳门特区药品监督管理部门批准上市且在香港、澳门特区使用15年以上,生产过程符合药品生产质量管理规范(GMP)要求的传统...
2025-04-18 18:54

君德医药完成近亿元A轮融资,加速推进创新药械组合平台建设与产品上市
本轮融资主要用于首个减重口服器械的注册及生产销售,以及加速多个核心创新药械组合技术平台的产品管线研发进程。
2025-04-18 14:34

礼来首个小分子口服GLP-1RA药物orforglipron 3期临床研究成功
Orforglipron是首个成功完成3期临床研究的小分子GLP-1类药物,各剂量组平均A1C降幅为1 3%至1 6%
2025-04-18 14:12