神经科学里程碑:完成飞大脑成像纳米级分辨率

两个高速电子显微镜。7062年脑片。2100万张图片。

为霍华德休斯医学研究所的一组科学家的Janelia研究校园,弗吉尼亚,这些数字加起来是一个技术:高分辨率数码快照的成年果蝇大脑。

研究人员现在可以跟踪任何一个神经元的路径到任何其他神经元在整个大脑,神经学家大卫说烈性黑啤酒,组长在Janelia工作和他的同事报道7月19日,2018年,在《细胞》杂志上。

“整个飞大脑在这之前从未成像分辨率,可以让你看到神经元之间的联系,”他说。这些细节是绘制出大脑的回路的关键——神经元连接,支撑特定的精确网飞的行为。

Janelia团队的数据提供了一个新的工具,科学家们竞相地图这些连接。在大脑的记忆中心,数据还显示一个新的细胞类型和其他惊喜。“任何时候你看看更高分辨率的图像和更多的完整性,你会发现新的东西,”博克说。

一只苍蝇的思维

果蝇或黑腹果蝇,最出名的可能是成熟的香蕉的嗡嗡作响。但这些小虫子非常复杂,一杯啤酒说。“他们可以学习和记忆。他们知道哪些地方是安全的和危险的。他们有复杂的求偶和序列修饰。”

一杯啤酒想弄明白它是如何运作的。

果蝇的大脑,大约罂粟种子的大小,包含大约100000个神经元(1000亿人)。每个神经元分支到亮光的细线,联系其他神经元的电线。神经元通过这些接触点彼此交谈,或突触,形成一个密集的网格通信电路。

科学家们可以把这些电线和突触与一个名为连续切片透射电子显微镜的成像技术。首先,他们飞的大脑中注入鸡尾酒的重金属。这些金属包装成细胞膜和突触,最终每个神经元及其连接的轮廓。研究人员用的电子束打大脑切片,通过除了metal-loaded部分。“这是同样的方式,x射线穿过你的身体除了他们骨头,“烈性黑啤酒解释道。

由此产生的图像使大脑隐藏的角落和缝隙。

加速

电子显微镜,从历史上看,是一个缓慢的过程。十年前,收集必要的数以百万计的图像查看整个大脑飞是不可能的,一杯啤酒说。“想象一下,带着2100万张照片你的iPhone,”他说。“你会坐在并单击几十年了。”

他和船员的科学家开发出一种新工具来加快这一进程。该团队使用高速摄像机和两个定制的系统公司迅速组织样本在eight-micrometer增量,使他们能够迅速捕捉周边地区的图像。他们能够形象整个大脑切片在不到7分钟,比以前快五倍高通量透射电子显微镜相机阵列,TEMCA1。烈性黑啤酒和他的同事们也受益于一个定制的机器人装载机建在Janelia自动回升和地方样本。

创建这种尖端技术是不小的进步,一杯啤酒说。所需的工作数十名Janelia神经科学家的合作,机械工程师,软件开发人员,以及工程顾问和约翰霍普金斯大学的科学家和医学研究委员会分子生物学实验室。经过长时间的非正式的这些科学家之间的合作,正式Janelia内项目团队由烈性黑啤酒和Janelia软件工程师哈立德·凯利成立于2016年将努力完成。

没有整个团队,博克说,就不可能有研究。“这是一个‘only-at-Janelia’的企业。”

更仔细的观察
数以百万计的图像块的团队收集并缝合提供深入研究苍蝇的大脑,探索未知领域的机会。

一杯啤酒的研究小组跟踪路径的神经元,蘑菇的身体接触,一个地区参与记忆和学习。这些细胞,称为嗅觉投射神经元,一直在前面描述的那样,使用光学显微镜。手动跟踪这些神经元的轮廓和他们所有的丝状的预测让烈性黑啤酒的团队确认图像数据的质量。

他还说,“我们的脚趾上一些有趣的新东西。”

嗅觉神经元投射神经元称为肯扬细胞发送消息。反过来,这些细胞和不同的神经元。直到现在,科学家们没有发现肯扬细胞的谈话伙伴在一个地区的蘑菇体称为花萼。一杯啤酒的团队发现这些神经元,以及未知brain-spanning肯扬细胞神经元也传递信息。

利用透射电子显微镜成像数据,科学家们重建雌蝇大脑神经元的一个子集。工作一个新的细胞类型(橙色骨架)透露,将信息发送给肯扬细胞在大脑记忆中心。信贷:z郑等人/单元2018

嗅觉神经元投射也似乎比科学家预想更紧密地捆绑在一起,一杯啤酒说。这个捆绑表明有序结构的东西一旦很大程度上被认为是随机的。

更好的理解大脑电路可以给科学家了解飞行行为,一杯啤酒说。“我们认为它会告诉我们一些关于动物如何学习,如何将气味与奖励或惩罚,”他解释说。

现在,20多个实验室组织挖掘新的数据集,跟踪神经元和概述了大脑的回路。烈性黑啤酒调用数据挖掘的资源是免费的神经科学家探索心灵的飞翔。“这将另一个工具添加到工具箱我们用理解这种动物。”

用户可以下载飞大脑数据集 http://temca2data.org。

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参考:
郑之浩*,j·斯科特Lauritzen *,埃里克·帕尔曼Camenzind g·罗宾逊,马修·尼科尔斯丹尼尔•米尔琪奥马尔·托伦斯约翰价格,科里b·费雪娜迪亚·沙里夫,Steven A . Calle-Schuler卢西亚Kmecova,伊克巴尔·j·阿里,比尔卡什,埃里克·t·特罗特曼John A . Bogovic菲利普Hanslovsky,格雷戈里·s . x e . Jefferis迈克尔•Kazhdan Stephan Saalfeld,哈立德·凯利(Richard d .羁绊,大卫·d·博克”一个完整的电子显微镜成年黑腹果蝇的大脑,”细胞。2018年7月19日在线发表。doi: 10.1016 / j.cell.2018.06.019
*这些作者的贡献同样这个手稿。