西亚试剂：特殊染色法破解大脑奥秘

人们普遍认为，学习是基于神经细胞之间的连接的变化。了解哪些神经细胞与其他神经细胞连接，对我们理解“大脑是如何工作的”是相当有帮助的。因此，科学家们一直梦想着能够绘制并解码神经连接体(connectome)——大脑的电路图。延伸阅读：美国院士PNAS解决百年大脑争议。

最近，马克斯普朗克神经生物学研究所的Shawn Mikula和Winfried Denk，开发出一种特殊的染色方法，弥补了最后一个方法上的差距：如何染色整个大脑，相关研究结果发表在四月十三日的《Nature Methods》。现在，绘制完整的小鼠大脑似乎是触手可及的，但即便设备效率像设计的那样，收集数据也需要几年的时间，而且，分析大约40千兆字节的数据，可能需要几十年的时间。

自从十九世纪末科学家首次在显微镜下检测到神经细胞以来，已经发生了很多事情。健康及病变大脑的解剖学、化学和细胞生物学，已经得以广泛的探讨。然而，人的想法和感受如何来自单个细胞的活性?当细胞从网络上分离时(退行性疾病)会发生什么?目前还不明确。因此，了解神经网络的连接并发现所有这些连接，对于联接组学(connectomics)的目标显然是很重要的。

人类大脑含有1千亿左右的细胞与细胞间连接。虽然绘制人类大脑的神经连接是真正的科幻小说，但是串行块面扫描电子显微镜及其他影像学分析方法的发展，已经带来了小鼠大脑的神经连接体，小鼠大脑比人的大脑小3000倍，是触手可及的。Shawn Mikula说：“一个关键的步骤——仍然下落不明，是全脑样品制备。”在过去的六年里，他一直致力于完整小鼠大脑组织染色，以便整个大脑的对比是均匀的，并且追踪大脑线路和检测突触所需要的超微结构信息没有被破坏。以前的染色方法只能可靠地染色比较小的组织样本。但是，一旦大脑被分成小块神经丝，可能不再继续在碎块之间，从而不能产生其后的每一代全脑图。旨在染色全脑的方法可能使大脑染色太弱或不均匀，或者它们会毁坏大脑结构。因此，所有神经细胞连接的重建，仍然是不可能的。

现在，Shawn Mikula和Winfried Denk提出了一种全脑染色方法——BROPA。BROPA缩写代表着一系列复杂的染色和漂洗步骤，包括锇和邻苯三酚溶液。整个染色过程大约需要四周。Shawn Mikula解释说：“我的忍耐是痛苦的，因为直到这个过程结束，我们才能知道染色过程中的变化是好的还是坏的。”但是，经过很多等待和精炼，两位科学家都对这种新方法非常满意：“我们的研究结果表明，用串行块面扫描电子显微镜，在一只BROPA染色小鼠大脑中，能可靠地追寻到单个轴突，并识别突触。”

马克斯普朗克神经生物学研究所主任Winfried Denk解释说：“我们的目标是，在电子显微镜下，用所有神经细胞和连接来记录完整的小鼠大脑，现在我们向这个目标迈出了重要的一步。”一旦新一代仪器交付并被测试——这计划花费一年的时间，科学家就打算启动项目。Denk说：“我估计，只收集数据就将需要大约两年半的时间。在这段时间里，会产生大约40千兆字节的数据。我们将以某种方式管理这些数据存储，这是我们仍然担心的分析。”

到目前为止这些结果表明，自动化的计算机程序可以相当可靠地识别BROPA染色的突触和细胞体。但即使是罕见的中断也会让神经纤维非常分散。Winfried Denk说：“我相信我们能够解决好这个问题。”在人类基因组破译的背景下，实际上这听起来并不是天方夜谭：当70年代中期第一个DNA片段被解码时，测定整个人类基因组的序列跟现在绘制整个人类大脑的连接组一样，最初看起来是不可能的。

注：Winfried Denk是德国物理学家，马克斯普朗克神经生物学研究所的主任。他1990年在瓦•韦伯的实验室做博士后研究员时率先实现了双光子显微镜。Denk后来(1994年)认识到双光子显微镜活细胞成像的深高散射问题上具有独特的性能。他的第二个重大发明是一台机器，可以自动获取分辨率为几纳米的三维图像。这种技术被称为串行块面扫描电子显微镜，已被加坦公司商业化。他在2003年被授予戈特弗里德•威廉•莱布尼茨奖和2012年卡夫利奖。2013年成为美国国家科学院外籍会员。

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