BioTechniques：神经科学家有了新的工具包

　　

生物通报道  对于大脑的结构和功能，我们已经知道了不少，但似乎还不够。显微镜正在帮助我们不断扩大这方面的知识。在这一期的《BioTechniques》上，Sarah Webb展示了一些最新的技术和工具。

如今，越来越精细的光学成像技术正帮助神经科学家映射信号，将神经通路与生物体的行为相关联。他们现在有了一个工具包，有望揭开大脑的复杂结构和功能。在这个工具包中，既有让脑组织变得透明的化学物质，又有提高时空分辨率的先进显微镜。

更清晰的图像

对大脑中的神经元进行成像并不是一件轻松的事情。与其他组织一样，大脑是由各种生物分子组成的，特别是脂类，它们会使光发生散射。在成像过程中，这会阻止光的深度穿透，减少荧光基团的激发，并最终降低图像的分辨率。之前，德国的研究人员设法让心脏组织透明，这为神经科学家提供了一些思路。

斯坦福大学Karl Deisseroth实验室开发出一种名为CLARITY的方法。如今，它已成为让组织透明的最广泛使用的技术之一。这种方法需要研究人员用甲醛、丙烯酰胺和热引发剂的混合物来灌注组织。产生的水凝胶结构可作为支架，让脂类得以去除，从而实现大脑的高分辨率成像。

在获得透明的组织样品后，研究人员可选择一系列光学技术来定位组织结构，包括共聚焦、双光子或激光片层扫描（light-sheet）显微镜。哥伦比亚大学的Raju Tomer曾是Deisseroth团队的成员，他开发出为CLARITY优化的激光片层扫描显微镜COLM。如今，这项技术已经常规用于小鼠大脑的神经连接映射。

海量的数据

对于用显微镜来研究大脑的研究人员来说，数据正成为一个大问题。现在人们可获取小鼠整个大脑的图像，但在中等分辨率下，单个大脑的数据就高达几TB。在高分辨率下，这种成像可能产生几十TB的数据，让存储和移动都变得很困难。此外，大量数据也使得人们难以分析和比较不同大脑的图像。

美国政府资助的BRAIN计划的主要内容之一就是解决数据处理上的挑战。一个可行的解决方案是采用更容易处理的新文件格式。例如，Philipp Keller开发出一种称为KLB的文件格式，让移动和存储高分辨率的图像文件变得更容易。其他一些工具能将图像文件压缩100倍，不过这意味着你可能会丢失一些信息。

最终，答案可能以集成的方式出现，而不是让显微镜简单地生成图片。Tomer认为：“最终我们要做的是改变显微镜，让它们产生知识，而不仅仅是图像。”而研究人员正在探索可视化及其他自动化分析工具，来追踪基本的神经过程。

深层次的秘密

即使激光片层扫描显微镜在继续发展，但双光子荧光显微镜仍然是大脑研究的主力军。与两倍能量的单光子相比，两个或更多的近红外波长光子产生较少的散射，对组织的损伤也较小。在涉及到大脑的深度、高分辨率成像时，这种技术就成为一种优势。

普渡大学的Meng Cui正利用自适应光学来改善成像的深度。自适应光学之前一直用在天文学中，可帮助天文学家改善望远镜的图像质量。如今，它也能改善显微镜成像的深度和分辨率。在一个实验中，Cui及其同事能穿透完整的小鼠头骨（~150 µm厚），成功分辨了皮层内深度达180 µm的小胶质细胞的结构。（生物通 薄荷）

原文检索

LARGER, SHARPER & DEEPER
BioTechniques, Vol. 61, No. 6, December 2016, pp. 285–291