對于大腦的結(jié)構(gòu)和功能，我們已經(jīng)知道了不少，但似乎還不夠。顯微鏡正在幫助我們不斷擴大這方面的知識。在這一期的《BioTechniques》上，Sarah Webb展示了一些最新的技術(shù)和工具。

如今，越來越精細的光學成像技術(shù)正幫助神經(jīng)科學家映射信號，將神經(jīng)通路與生物體的行為相關(guān)聯(lián)。他們現(xiàn)在有了一個工具包，有望揭開大腦的復雜結(jié)構(gòu)和功能。在這個工具包中，既有讓腦組織變得透明的化學物質(zhì)，又有提高時空分辨率的先進顯微鏡。

更清晰的圖像

對大腦中的神經(jīng)元進行成像并不是一件輕松的事情。與其他組織一樣，大腦是由各種生物分子組成的，特別是脂類，它們會使光發(fā)生散射。在成像過程中，這會阻止光的深度穿透，減少熒光基團的激發(fā)，并最終降低圖像的分辨率。之前，德國的研究人員設(shè)法讓心臟組織透明，這為神經(jīng)科學家提供了一些思路。

斯坦福大學Karl Deisseroth實驗室開發(fā)出一種名為CLARITY的方法。如今，它已成為讓組織透明的最廣泛使用的技術(shù)之一。這種方法需要研究人員用甲醛、丙烯酰胺和熱引發(fā)劑的混合物來灌注組織。產(chǎn)生的水凝膠結(jié)構(gòu)可作為支架，讓脂類得以去除，從而實現(xiàn)大腦的高分辨率成像。

在獲得透明的組織樣品后，研究人員可選擇一系列光學技術(shù)來定位組織結(jié)構(gòu)，包括共聚焦、雙光子或激光片層掃描（light-sheet）顯微鏡。哥倫比亞大學的Raju Tomer曾是Deisseroth團隊的成員，他開發(fā)出為CLARITY優(yōu)化的激光片層掃描顯微鏡COLM。如今，這項技術(shù)已經(jīng)常規(guī)用于小鼠大腦的神經(jīng)連接映射。

海量的數(shù)據(jù)

對于用顯微鏡來研究大腦的研究人員來說，數(shù)據(jù)正成為一個大問題?，F(xiàn)在人們可獲取小鼠整個大腦的圖像，但在中等分辨率下，單個大腦的數(shù)據(jù)就高達幾TB。在高分辨率下，這種成像可能產(chǎn)生幾十TB的數(shù)據(jù)，讓存儲和移動都變得很困難。此外，大量數(shù)據(jù)也使得人們難以分析和比較不同大腦的圖像。

美國政府資助的BRAIN計劃的主要內(nèi)容之一就是解決數(shù)據(jù)處理上的挑戰(zhàn)。一個可行的解決方案是采用更容易處理的新文件格式。例如，Philipp Keller開發(fā)出一種稱為KLB的文件格式，讓移動和存儲高分辨率的圖像文件變得更容易。其他一些工具能將圖像文件壓縮100倍，不過這意味著你可能會丟失一些信息。

最終，答案可能以集成的方式出現(xiàn)，而不是讓顯微鏡簡單地生成圖片。Tomer認為：“最終我們要做的是改變顯微鏡，讓它們產(chǎn)生知識，而不僅僅是圖像。”而研究人員正在探索可視化及其他自動化分析工具，來追蹤基本的神經(jīng)過程。

深層次的秘密

即使激光片層掃描顯微鏡在繼續(xù)發(fā)展，但雙光子熒光顯微鏡仍然是大腦研究的主力軍。與兩倍能量的單光子相比，兩個或更多的近紅外波長光子產(chǎn)生較少的散射，對組織的損傷也較小。在涉及到大腦的深度、高分辨率成像時，這種技術(shù)就成為一種優(yōu)勢。

普渡大學的Meng Cui正利用自適應光學來改善成像的深度。自適應光學之前一直用在天文學中，可幫助天文學家改善望遠鏡的圖像質(zhì)量。如今，它也能改善顯微鏡成像的深度和分辨率。在一個實驗中，Cui及其同事能穿透完整的小鼠頭骨（~150 µm厚），成功分辨了皮層內(nèi)深度達180 µm的小膠質(zhì)細胞的結(jié)構(gòu)。