近日，《自然》子刊《Nature Methods》上發(fā)表了一篇論文，而它立刻得到了《科學(xué)》官網(wǎng)的報(bào)道，這是重磅新聞才能享受的殊榮。這則被兩家頂尖學(xué)術(shù)期刊共同關(guān)注的研究出自 MIT 的著名科學(xué)家 Ed Boyden 教授之手。他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“大腦倍增術(shù)”將大腦尺寸擴(kuò)大了 20 倍，讓神經(jīng)學(xué)家能在普通的光學(xué)顯微鏡下，以極高的分辨率觀察大腦結(jié)構(gòu)，甚至清晰地分辨出不同的突觸蛋白。
▲Ed Boyden 教授是光遺傳學(xué)的奠基人之一，也因此為世人所熟知
對(duì)于生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，僅僅是將生物樣本放大，就足以獲得大量新知識(shí)。幾百年前，顯微鏡讓人類知道了細(xì)胞的存在。如今，更高級(jí)的顯微鏡則讓科學(xué)家們能看清細(xì)胞內(nèi)不同蛋白的運(yùn)作。在日新月異的科技發(fā)展面前，MIT 生物工程系研究腦與認(rèn)知科學(xué)的 Boyden 教授有了一個(gè)新想法。“我們想要了解整個(gè)大腦回路的布局，”他說(shuō)道：“如果你能重建出一個(gè)完整的大腦回路，或許你就能利用計(jì)算模型，了解大腦是如何產(chǎn)生情感或是做出決定。當(dāng)你了解到每一個(gè)生物分子的布局、細(xì)胞如何產(chǎn)生電信號(hào)、并且怎樣交換化學(xué)物質(zhì)后，你就有能力去模擬整個(gè)大腦。”
然而大腦本身卻不是一個(gè)適合觀察的器官。它總體而言不透明，細(xì)胞與細(xì)胞之間排列組合錯(cuò)綜復(fù)雜。利用現(xiàn)有的共聚焦顯微鏡（confocal microscope），科學(xué)家們能觀察到的分辨率只有幾百納米。
▲科學(xué)家們希望有朝一日能還原出整個(gè)大腦回路的布局
如果直接觀察這些組織過(guò)于困難，我們?yōu)樯恫荒馨堰@些組織變得更大呢？MIT 的科學(xué)家們想到了一種叫做聚丙烯酸酯的材料。這是一類高吸水性的分子，最常見(jiàn)的用途之一是嬰兒尿布。在吸收了嬰兒的尿液后，它的體積會(huì)擴(kuò)大很多倍。研究人員意識(shí)到，這一特性也許能被用來(lái)擴(kuò)大大腦樣本的體積。
在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員將大腦樣本包埋在了這類分子中，并用帶有熒光的標(biāo)記分子去識(shí)別特定的蛋白靶點(diǎn)。等到這些標(biāo)記分子就位后，研究人員用蛋白酶清除樣品中的蛋白質(zhì)（包括那些讓組織粘連在一起的蛋白），然后給樣本加上了水。在吸收水分后，隨著吸水性材料的不斷膨脹，大腦樣本也隨之慢慢擴(kuò)大。在此過(guò)程中，那些熒光標(biāo)記分子依舊保持著各自相對(duì)的位置，從而反映了大腦樣本原有的結(jié)構(gòu)。利用未被蛋白酶降解的標(biāo)記分子留下的熒光，研究人員就能估算出大腦樣本擴(kuò)大的倍數(shù)。
這種簡(jiǎn)單的方法能在線性維度上，將大腦擴(kuò)大 4.5 倍。這一看似微小的變化，能將分辨率從幾百納米提高到 60 納米。在共聚焦顯微鏡下，原本模糊一片的樣品，變得無(wú)比清晰。
▲尿布材料讓大腦樣本變得清晰無(wú)比
這是一個(gè)巨大的突破——它首次讓科學(xué)家們能以常規(guī)的光學(xué)顯微鏡，達(dá)到只有昂貴的顯微鏡才能看到的效果。但研究人員對(duì)此依舊不滿意。“單獨(dú)的生物分子還要小，它們只有 5 納米，甚至更小，” Boyden 教授說(shuō)道：“這套技術(shù)能回答許多科學(xué)上的問(wèn)題，但和電子顯微鏡等清晰度的成像手段還無(wú)法同日而語(yǔ)。”因此，研究人員并沒(méi)有停下腳步，而是繼續(xù)鉆研讓放大倍數(shù)繼續(xù)增加的可能性。
在一些初步的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果減少把這些吸水分子鏈接起來(lái)的交聯(lián)物，大腦的體積就能得到進(jìn)一步擴(kuò)大。這就好像較薄的氣球更容易被吹起來(lái)一樣，很容易理解。但容易吹起來(lái)的氣球也容易破，這套系統(tǒng)也有同樣的問(wèn)題。如果減少這些交聯(lián)物，大腦結(jié)構(gòu)會(huì)在膨脹的過(guò)程中變得不穩(wěn)定，甚至是亂七八糟。這可不是研究人員想看到的。
“如果你減少交聯(lián)物的密度，這些多聚體就不能在膨脹過(guò)程中很好地保持自身的結(jié)構(gòu)，” Boyden 教授評(píng)論說(shuō)：“很多信息就這樣丟失掉了。”
▲第二種凝膠讓大腦樣本得以進(jìn)一步擴(kuò)大
那有什么辦法能讓大腦組織在膨脹的過(guò)程中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定呢？研究人員用上了另一種特殊的凝膠——在大腦樣本隨著吸水分子的膨脹而倍增后，研究人員把這些樣本放到了特殊的凝膠里，讓凝膠去破壞原有吸水分子間的交聯(lián)。但與此同時(shí)，這種凝膠的特性讓大腦的結(jié)構(gòu)依舊保持穩(wěn)定。隨后，研究人員再次讓這些樣本膨脹，進(jìn)一步放大它的尺寸。
這樣一來(lái)，大腦樣本的尺寸能被額外擴(kuò)大 4 倍左右。換句話說(shuō)，普通大腦樣本的尺寸在線性維度上能被擴(kuò)大到 20 倍左右，分辨率達(dá)到了 25 納米。
▲用常規(guī)的顯微鏡，人們首次能以如此高的清晰度看到大腦內(nèi)的結(jié)構(gòu)
這與目前的一些高級(jí)顯微鏡能達(dá)到的分辨率旗鼓相當(dāng)。但這套技術(shù)的成本要低得多，實(shí)際操作上更方便，也不需要特殊的試劑和儀器。
利用這套技術(shù)，研究人員不但能看到影響突觸內(nèi)數(shù)百種蛋白結(jié)構(gòu)的支架蛋白，更能清楚地觀察到神經(jīng)遞質(zhì)受體在突觸后細(xì)胞表面上的分布。這些觀察結(jié)果有助于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的最新研究。
盡管離還原整個(gè)大腦的布局還有一定距離，但 Boyden 教授對(duì)此表示樂(lè)觀。他認(rèn)為在接下來(lái)的幾年，他們有望從突觸的支架蛋白和信號(hào)蛋白入手，開(kāi)始還原它們?cè)诖竽X中的布局。這一前景讓人感到興奮。
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