Nat Methods：逆天！MIT 大牛用尿布材料将大脑尺寸扩大了 20 倍
2017-04-20 叶问茹 学术经纬
近日，《自然》子刊《Nature Methods》上发表了一篇论文，而它立刻得到了《科学》官网的报道，这是重磅新闻才能享受的殊荣。这则被两家顶尖学术期刊共同关注的研究出自 MIT 的著名科学家 Ed Boyden 教授之手。他的团队发明的“大脑倍增术”将大脑尺寸扩大了 20 倍，让神经学家能在普通的光学显微镜下，以极高的分辨率观察大脑结构，甚至清晰地分辨出不同的突触蛋白。▲Ed Boyden
近日，《自然》子刊《Nature Methods》上发表了一篇论文，而它立刻得到了《科学》官网的报道，这是重磅新闻才能享受的殊荣。这则被两家顶尖学术期刊共同关注的研究出自 MIT 的著名科学家 Ed Boyden 教授之手。他的团队发明的“大脑倍增术”将大脑尺寸扩大了 20 倍，让神经学家能在普通的光学显微镜下，以极高的分辨率观察大脑结构，甚至清晰地分辨出不同的突触蛋白。
▲Ed Boyden 教授是光遗传学的奠基人之一，也因此为世人所熟知（图片来源：MIT）
对于生物学家来说，仅仅是将生物样本放大，就足以获得大量新知识。几百年前，显微镜让人类知道了细胞的存在。如今，更高级的显微镜则让科学家们能看清细胞内不同蛋白的运作。在日新月异的科技发展面前，MIT 生物工程系研究脑与认知科学的 Boyden 教授有了一个新想法。“我们想要了解整个大脑回路的布局，”他说道：“如果你能重建出一个完整的大脑回路，或许你就能利用计算模型，了解大脑是如何产生情感或是做出决定。当你了解到每一个生物分子的布局、细胞如何产生电信号、并且怎样交换化学物质后，你就有能力去模拟整个大脑。”
然而大脑本身却不是一个适合观察的器官。它总体而言不透明，细胞与细胞之间排列组合错综复杂。利用现有的共聚焦显微镜（confocal microscope），科学家们能观察到的分辨率最高只有几百纳米。
▲科学家们希望有朝一日能还原出整个大脑回路的布局（图片来源：《科学》）
如果直接观察这些组织过于困难，我们为啥不能把这些组织变得更大呢？MIT 的科学家们想到了一种叫做聚丙烯酸酯的材料。这是一类高吸水性的分子，最常见的用途之一是婴儿尿布。在吸收了婴儿的尿液后，它的体积会扩大很多倍。研究人员意识到，这一特性也许能被用来扩大大脑样本的体积。
在一项实验中，研究人员将大脑样本包埋在了这类分子中，并用带有荧光的标记分子去识别特定的蛋白靶点。等到这些标记分子就位后，研究人员用蛋白酶清除样品中的蛋白质（包括那些让组织粘连在一起的蛋白），然后给样本加上了水。在吸收水分后，随着吸水性材料的不断膨胀，大脑样本也随之慢慢扩大。在此过程中，那些荧光标记分子依旧保持着各自相对的位置，从而反映了大脑样本原有的结构。利用未被蛋白酶降解的标记分子留下的荧光，研究人员就能估算出大脑样本扩大的倍数。
这种简单的方法能在线性维度上，将大脑扩大 4.5 倍。这一看似微小的变化，能将分辨率从几百纳米提高到 60 纳米。在共聚焦显微镜下，原本模糊一片的样品，变得无比清晰。
▲尿布材料让大脑样本变得清晰无比（图片来源：《Nature Methods》）
这是一个巨大的突破——它首次让科学家们能以常规的光学显微镜，达到只有昂贵的显微镜才能看到的效果。但研究人员对此依旧不满意。“单独的生物分子还要小，它们只有 5 纳米，甚至更小，” Boyden 教授说道：“这套技术能回答许多科学上的问题，但和电子显微镜等最高清晰度的成像手段还无法同日而语。”因此，研究人员并没有停下脚步，而是继续钻研让放大倍数继续增加的可能性。
在一些初步的实验中，研究人员发现，如果减少把这些吸水分子链接起来的交联物，大脑的体积就能得到进一步扩大。这就好像较薄的气球更容易被吹起来一样，很容易理解。但容易吹起来的气球也容易破，这套系统也有同样的问题。如果减少这些交联物，大脑结构会在膨胀的过程中变得不稳定，甚至是乱七八糟。这可不是研究人员想看到的。
“如果你减少交联物的密度，这些多聚体就不能在膨胀过程中很好地保持自身的结构，” Boyden 教授评论说：“很多信息就这样丢失掉了。”
▲第二种凝胶让大脑样本得以进一步扩大（图片来源：《Nature Methods》）
那有什么办法能让大脑组织在膨胀的过程中保持结构稳定呢？研究人员用上了另一种特殊的凝胶——在大脑样本随着吸水分子的膨胀而倍增后，研究人员把这些样本放到了特殊的凝胶里，让凝胶去破坏原有吸水分子间的交联。但与此同时，这种凝胶的特性让大脑的结构依旧保持稳定。随后，研究人员再次让这些样本膨胀，进一步放大它的尺寸。
这样一来，大脑样本的尺寸能被额外扩大 4 倍左右。换句话说，普通大脑样本的尺寸在线性维度上能被扩大到 20 倍左右，分辨率达到了 25 纳米。
▲用常规的显微镜，人们首次能以如此高的清晰度看到大脑内的结构（图片来源：《Nature Methods》）
这与目前的一些高级显微镜能达到的分辨率旗鼓相当。但这套技术的成本要低得多，实际操作上更方便，也不需要特殊的试剂和仪器。
利用这套技术，研究人员不但能看到影响突触内数百种蛋白结构的支架蛋白，更能清楚地观察到神经递质受体在突触后细胞表面上的分布。这些观察结果有助于神经科学领域的最新研究。
尽管离还原整个大脑的布局还有一定距离，但 Boyden 教授对此表示乐观。他认为在接下来的几年，他们有望从突触的支架蛋白和信号蛋白入手，开始还原它们在大脑中的布局。这一前景让人感到兴奋。
原始出处：
Jae-Byum Chang，Fei Chen，Young-Gyu Yoon，Erica E Jung，Hazen Babcock，et al. Iterative expansion microscopy. Nature Methods. 2017 Apr 17.
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