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(duì)黑腹果蠅的整個(gè)大腦進(jìn)行了足夠詳細(xì)的成像，從而能探測(cè)每個(gè)神經(jīng)元之間的單獨(dú)連接，或者說突觸。由此獲得的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)數(shù)據(jù)集及其創(chuàng)造的研究機(jī)會(huì)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(guó)哈佛大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Rachel Wilson表示，“世界上任何對(duì)此感興趣的人都可以下載這個(gè)數(shù)據(jù)集并且查明任何兩個(gè)神經(jīng)元之間是如何‘對(duì)話’的?！?/p>

同人類頭骨中的約1000億個(gè)神經(jīng)元相比，含有10萬個(gè)神經(jīng)元的果蠅大腦非常初級(jí)。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(rèn)為，果蠅不只是“你在吃晚餐時(shí)從酒杯上揮手趕走的小污點(diǎn)”。果蠅大腦中的一些系統(tǒng)，比如負(fù)責(zé)探測(cè)和記憶氣味的系統(tǒng)——可能和人類共享“通用的準(zhǔn)則”。

為闡明單個(gè)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(xì)微細(xì)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(xì)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(tuán)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(huì)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(jī)、一個(gè)使每個(gè)大腦切片快速進(jìn)入納米尺度位置的機(jī)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(gè)突觸的特征。

“這篇論文從技術(shù)成就的角度來說絕對(duì)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(gè)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(gè)神經(jīng)元同它在大腦內(nèi)“聆聽”和“對(duì)話”的其他每個(gè)神經(jīng)元之間的關(guān)聯(lián)。

迄今為止，Bock及其團(tuán)隊(duì)針對(duì)大腦中一小部分神經(jīng)元完成了此項(xiàng)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(xiàng)日前在《細(xì)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(xì)節(jié)。比如，將氣味信息傳遞給蕈形體細(xì)胞的神經(jīng)元形成了異常緊密的束狀物。目前，Bock團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(dòng)的其他技術(shù)結(jié)合起來。Bargmann表示，神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度隨著不同情形和時(shí)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。”

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(jìn)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(shí)這些方法在果蠅身上奏效，斑馬魚具有同樣量級(jí)的復(fù)雜度?！盉argmann說，“我認(rèn)為，我們可能很快在脊椎動(dòng)物身上獲得突破。”