新技术可以揭示大脑的亚细胞细节和长期联系
麻省理工学院(MIT)的研究人员开发了一种新技术，可以在多个尺度上对脑组织进行成像，使他们能够观察细胞内的分子，或以更广泛的视角观察神经元之间的远程连接。
化学工程系的Samuel A. Goldblith助理教授Kwanghun Chung说，这种被称为蛋白质组放大分析(MAP)的技术应该可以帮助科学家在他们正在进行的努力中绘制人类大脑神经元的连接和功能图。也是麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)和皮考尔学习与记忆研究所的成员。
“我们使用化学过程来使整个大脑可调整，同时保持一切。我们保留蛋白质组（在生物样品中发现的蛋白质的收集），我们保存纳米镜细节，我们还保持脑宽的连接，“一篇论文的高级作者钟说，描述了7月25日的方法自然生物技术。
研究人员还表明，该技术适用于其他器官，如心脏，肺，肝脏和肾脏。
本文的牵头作者是Postdoc Taeyun Ku，研究生贾斯汀斯文斯·斯瓦文，以及访问学者山东龙公园。
多尺度成像
新的MAP技术建立在一种名为CLARITY的组织转化方法的基础上，该方法是钟在斯坦福大学做博士后时开发的。CLARITY可以保存细胞和分子大脑组织并使它们透明，因此细胞内的分子可以在3-D中成像。在新的研究中，Chung寻求一种在同一组织样本内以多种鳞片图像映像大脑。
“没有有效的技术，让您从脑区连接到亚细胞细节，以及分子信息，从脑区域连接到亚细胞信息，”他说。
为了实现这一目标，研究人员开发了一种可逆地扩大组织样本的方法，这种方法几乎保留了细胞内所有的蛋白质。这些蛋白质可以用荧光分子标记并成像。
该技术依赖于将丙烯酰胺聚合物注入脑组织，从而形成致密的凝胶。在这种情况下，凝胶的密度是CLARITY技术中使用的凝胶的10倍，这使样品更加稳定。这种稳定性使研究人员能够使细胞内的蛋白质变性并解离，而不破坏组织样本的结构完整性。
在使蛋白质变性之前，研究人员使用甲醛将它们附着在凝胶中，因为静成方法所做的。一旦蛋白质连接和变性，凝胶将组织样品扩展到其原始尺寸的四个或五倍或五倍。
“这是可逆的，你可以多次做，”钟说。“然后，您可以使用像抗体的现成分子标记物标签并可视化所有这些保存的生物分子的分布。”
目前市面上有数十万种可用于标记特定蛋白质的荧光抗体。在这项研究中，研究人员通过标记在这些结构中发现的蛋白质来成像神经元结构，如轴突和突触，他们还标记了使他们能够区分神经元和胶质细胞的蛋白质。
“我们可以使用这些抗体来可视化任何靶结构或分子，”仲文说。“我们可以可视化不同的神经元类型及其预测以查看它们的连接。我们还可以在功能上可视化信号分子或功能重要的蛋白质。”
高分辨率
一旦组织扩展，研究人员就可以使用几种常见的显微镜中的任何一种，以获得高达60纳米的分辨率的图像 - 比通常的200至250纳米极限的光学显微镜更好，这受到可见波长的限制光。研究人员还证明了这种方法与相对较大的工作组织样品，厚度可达2毫米。
Chung说:“据我所知，这是首次展示毫米级样本的超分辨率蛋白质组学成像。”
“这是脑部映射的令人兴奋的进展，这项技术揭示了大脑的分子和联系结构以前所未有的细节，”普林斯顿神经科学研究所的计算机科学教授塞巴斯蒂安（Sebastian Seung）表示，该研究所没有参与研究。
目前，正在努力映射连接人脑依靠电子显微镜，但钟和同事证明了更高分辨率的地图成像技术可以更准确地追踪这些连接。
Chung的实验室现在正在努力加快成像和图像处理，这是具有挑战性的，因为由于成像扩展而产生了如此大的数据组织样本。
“它已经比其他技术更容易，因为这个过程真的很简单，你可以使用现成的分子标记，但我们正试图让它更简单，”钟说。
进一步探索
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