利用電子顯微鏡重建了果蠅的一系列神經(jīng)元

研究人員利用電子顯微鏡重建了果蠅的一系列神經(jīng)元。

科學(xué)家近日首次對黑腹果蠅的整個大腦進行了足夠詳細的成像，從而能探測每個神經(jīng)元之間的單獨連接，或者說突觸。由此獲得的圖像數(shù)據(jù)庫可幫助研究人員描繪支撐果蠅嗅聞、嗡嗡叫、空中飛行等各種行為的神經(jīng)回路。

“可以說，這個數(shù)據(jù)集及其創(chuàng)造的研究機會是神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域最近發(fā)生的最重要的事情之一。”并未參與最新工作的美國哈佛大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Rachel Wilson表示，“世界上任何對此感興趣的人都可以下載這個數(shù)據(jù)集并且查明任何兩個神經(jīng)元之間是如何‘對話’的?！?/p>

同人類頭骨中的約1000億個神經(jīng)元相比，含有10萬個神經(jīng)元的果蠅大腦非常初級。但霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮莉亞研究園區(qū)神經(jīng)科學(xué)家Davi Bock認為，果蠅不只是“你在吃晚餐時從酒杯上揮手趕走的小污點”。果蠅大腦中的一些系統(tǒng)，比如負責(zé)探測和記憶氣味的系統(tǒng)——可能和人類共享“通用的準則”。

為闡明單個突觸的特征，Bock和同事利用了和傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡相比能分辨更細微細節(jié)的電子顯微鏡。他們將果蠅大腦浸在含有重金屬的溶液中。這些重金屬同神經(jīng)元的細胞膜和突觸的蛋白質(zhì)捆綁在一起。Bock解釋說，這使得大腦看上去像一團面條，并且外面是黑色的，里面是白色的。隨后，研究者用金剛石刀將大腦切成約7000片。每片都會被來自顯微鏡的電子束撞擊以產(chǎn)生圖像。

這一過程需要每秒能捕捉100幀的相機、一個使每個大腦切片快速進入納米尺度位置的機器人系統(tǒng)，以及將由此獲得的2100萬幅圖片拼湊在一起的軟件。產(chǎn)生的重建圖使研究人員得以聚焦單個突觸的特征。

“這篇論文從技術(shù)成就的角度來說絕對是杰作?！甭蹇朔评沾髮W(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Cornelia Bargmann表示。Bargmann研究秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)。秀麗隱桿線蟲的302個神經(jīng)元的布線圖，或者說連接組在1986年發(fā)表。為獲得果蠅的類似圖像，研究人員不得不利用獲得的最新圖像追蹤每個神經(jīng)元同它在大腦內(nèi)“聆聽”和“對話”的其他每個神經(jīng)元之間的關(guān)聯(lián)。

迄今為止，Bock及其團隊針對大腦中一小部分神經(jīng)元完成了此項工作。這部分大腦涉及學(xué)習(xí)和記憶氣味，被稱為蕈形體。這項日前在《細胞》雜志上得以描述的研究，提供了關(guān)于果蠅嗅覺系統(tǒng)的新細節(jié)。比如，將氣味信息傳遞給蕈形體細胞的神經(jīng)元形成了異常緊密的束狀物。目前，Bock團隊正在尋找關(guān)于果蠅如何從環(huán)境中嗅到氣味的線索。

如果全球的研究團隊成功描繪出果蠅大腦的完整布線圖，隨后他們將需要把這一信息同記錄活體果蠅大腦活動的其他技術(shù)結(jié)合起來。Bargmann表示，神經(jīng)元之間的連接強度隨著不同情形和時間發(fā)生改變?！拔以?0年里致力于研究一種生物體的連接組，而目前我們?nèi)栽谔綄み@一神經(jīng)系統(tǒng)是如何工作的?！?/p>

不過，最新論文描述的技術(shù)能力表明，很快就有可能描繪出另一種在進化上同人類更接近的生物體的大腦連接組?！翱紤]到他們已經(jīng)證實這些方法在果蠅身上奏效，斑馬魚具有同樣量級的復(fù)雜度?！盉argmann說，“我認為，我們可能很快在脊椎動物身上獲得突破。”