现在任何人都可以参观苍蝇的大脑

的新穿越飞大脑允许任何人奇才过去神经元和访问任何神经元神经元4000万个突触联系。这是一个超分辨率的背后复杂的网络连接在昆虫的大脑从喂养到交配行为。

前所未有的,然而,是这3 d地图在整个飞大脑,显示小至60纳米的细节,在不到三天被捕。

的细节并不完全一样,用电子显微镜,努力完全地图苍蝇大脑的神经元和突触与EM 10年,数十人的努力。新地图获得通过结合两种最先进的技术,快一千倍显微镜和晶格扩张纸张显微镜。

精细的地图完成大脑的神经网络,人类大脑,老鼠和苍蝇——一直是神经科学家几十年来的梦想。,他们可以跟踪神经元之间的联系来理解大脑是如何做决定的。通过计算突触,神经科学家可以判断神经连接的强度,如那些负责内存。

穿越高分辨率的三维图像的果蝇大脑。彩色球表明突触的密度在大脑中的神经元的一个子集:那些对多巴胺。球总结共有500000个突触的位置,4000万年的整个大脑,红色代表突触密度最高的地方,紫色的最低。信贷:视频由霍华德·休斯医学研究所的,后期制作罗克珊Makasdjian斯蒂芬•麦克纳利和加州大学伯克利分校。

新和更快的全脑成像技术将帮助科学家们梳理出飞神经回路,最终也构成人类大脑功能。它同样适合映射神经回路在老鼠大脑的小块,和潜在的人类大脑。

“你可以花多年的EM图像飞大脑,”诺贝尔奖得主埃里克Betzig说,谁发明了晶格纸张显微镜而Janelia研究校园霍华德休斯医学研究所的教授,现在在加州大学伯克利分校的分子和细胞生物学和物理学。“我能看到我们得到的成像至少10飞每天大脑。”

这样的速度和分辨率将让科学家问新的问题,他说,像如何在男性和女性之间的大脑不同,或者相同类型的大脑回路不同飞逝。

“我们已经跨过了一个阈值在成像性能,”爱德华Boyden说麻省理工学院,谁发明了显微镜五年前扩张。“这就是为什么我们如此兴奋。我们不只是逐步扫描更多的大脑组织,我们扫描整个大脑。”

Betzig博伊登和他们的团队本周将公布他们的研究结果在《科学》杂志上。

结合扩张和纸张显微镜

新的脑部扫描技术是Boyden要求Betzig的帮助后扩张显微镜结合Betzig最新的高速成像技术,晶格纸张显微镜。扩张显微镜(ExM)包括修复组织,然后像一个气球在扩大内部结构的相对位置保持不变。它使用聚丙烯酰胺凝胶在尿布,膨胀,当从咸纯水。晶格纸张显微镜(LLSM)使用高度集中的光束快速装配的三维图像标本一次一个薄片。

森林的树突棘伸出树枝在小鼠皮层神经元。

“当他们在2016年第一次来找我,我仍然是一个怀疑论者;我担心,首先,你是否可以扩大类似,没有疯狂的扭曲,“Betzig说。”然后我害怕,虽然样品是透明的,他们仍然会扭曲的光像一袋球。”

在Janelia校园工作,联合团队,由博士后Ruixuan高和Shoh浅野Boyden麻省理工学院的实验室和Srigokul Upadhyayula哈佛医学院,后发现,脑组织扩大四倍,体积64倍,它几乎是水和unwarped一样清晰。

森林的树突棘伸出树枝在小鼠皮层神经元。信贷2019年:高等人/科学

“我感到震惊是多么完美的清算,使其难以置信的光学制服,”他说。

结果,晶格纸张显微镜能够产生非常详细和精确的大脑的单突触:约60纳米的分辨率,这是只有十分之一的分辨率。多色成像只用了62.5小时。

测试团队ExLLSM技术不仅对整个果蝇大脑,还一片老鼠大脑横跨毫米厚的皮层,与类似的结果。他们能够计数所有的突触飞大脑,总计约4000万人。人类的大脑,800亿个神经元和7000每个神经元突触,将更具挑战性。

Betzig预测,改善扩张显微镜——一些科学家在每个方向拉伸组织25倍——合并后的技术可以实现结果几乎一样好EM的映射所有大脑的神经连接,称为——一个字段。

“如果你可以让它工作在10倍或者15倍扩张,你可能会把很多新兴市场的业务,”他说。“可能是足够密集的神经跟踪新兴市场能做但更快和更便宜。我认为他们需要看。这是没有,但在我看来,可能有。”

荧光显微镜

显微镜技术涉及标签蛋白荧光标记的组织。显微镜在扩张,然后组织灌注凝胶和标记交联凝胶结构。那么所有的蛋白质消化掉,留下Betzig术语“荧光幻影。“改变媒体的盐浓度导致凝胶膨胀,拖动标记。就主要是水,占其清晰度。

科学家可以识别各种形状和大小的细胞器(彩色区域)在小鼠神经元成像的技术合并扩张与晶格纸张显微镜显微镜。

Boyden最初使用共焦光学显微镜图像扩大组织,但是他希望LLSM图像样本更快和更好的分辨率,同时也克服了荧光信号的完全丧失,发生在成像深处厚标本通过常规手段。LLSM光扫描一张狭窄的400纳米,飞机通过样本,平面成像的荧光标记在每一个照明平面。每个完整的扫描,达近10 tb的数据,然后由计算机组装成一个三维图像,可以像一个导航视频游戏。耗时大会是由Janelia计算机科学家斯蒂芬Saalfeld Igor Pisarev,然后分析和可视化,Upadhyayula很快就会打开一个先进的成像在加州大学伯克利分校的实验室。

通过将荧光标记的10000蛋白在大脑中,应该有可能映射神经元和其他细胞的外膜,一个神经元的突触连接,大脑细胞的内部隔间,等等。

然而,有局限性。与任何一种超分辨率荧光显微镜,Betzig说,很难用足够的荧光灯泡装饰蛋白质显然看到他们在高分辨率。由于扩张显微镜需要许多处理步骤,还有潜在的工件。正因为如此,他说,“我们非常努力地工作来验证我们所做的,和其他人是明智的做同样的事情。”

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参考:高,R。浅野,s M。、Upadhyayula年代。Pisarev,我。米尔琪,d, E。、刘T.-L。,…Betzig,大肠(2019)。皮质列和整个大脑成像对比度分子和纳米级的分辨率。科学,363 (6424),eaau8302。https://doi.org/10.1126/science.aau8302