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給大腦迅速繪製高畫質地圖,深圳先進院參與完成世界首幅猴腦全腦圖譜
人生畫廊猴腦怎麼過
讀創/深圳商報記者 袁斯茹
在深圳先進院腦認知與腦疾病研究所,有一條特別的畫廊,陳列著一幅幅色彩鮮明的畫作。這些作品不是出自哪位藝術家之手,而是大腦的成像圖。科學家們利用磁共振、冷凍電鏡等技術,將這一經自然界億萬年進化的手筆還原,比藝術作品更多了一絲神秘。其中,由深圳先進院腦資訊中心參與完成的“猴腦全腦圖譜”,為目前世界上公開的第一幅。
△腦資訊中心的“藝術”畫廊
近日,深圳商報記者走進腦資訊中心。中心主任畢國強表示,團隊歷時數年自主研發的高分辨全腦三維顯微成像技術(VISoR),成像速度是其他方法的十倍到百倍。
△VISoR技術成像的小鼠腦片(楊朝宇製作)
為大腦繪製高畫質地圖
“要理解大腦的運轉機制,首先就需要將腦內千億個神經細胞以及它們之間的連線呈現出來,就像給大腦繪製一張高畫質地圖。”中心徐放副研究員告訴記者。
記者在中心看到,一間實驗室中擺放著三臺裝置,這是團隊自主研發的腦圖譜成像儀器。
△VISoR成像儀器
此前的技術完成一隻鼠腦的成像,通常需要幾天的時間,而與人腦接近的獼猴腦體積是鼠腦的200多倍,如果用同樣精度進行成像,需要幾年甚至數十年才能完成。
畢國強說,團隊自主研發的VISoR技術,實現了無模糊的連續運動成像方法,避免了傳統成像方式反覆切換視野的時間,極大提高了成像速度。使用集成了這一技術的裝置,能在兩小時內完成亞微米解析度的鼠腦全腦成像,是其它成像方法的十倍到百倍。“速度的提升讓大批次的模型動物全腦三維成像成為可能,更能對獼猴腦乃至人腦進行精細解析。”畢國強介紹道。
精度達到頭髮絲的兩千分之一
有了技術加持,團隊將目光投向了大腦中以體積小著稱的“突觸”。
大腦的上千億個神經細胞,每一個都由上千個微小的“突觸”進行連線。這些突觸是大腦行為、意識、學習與記憶等功能的最基本結構與功能單元,同時也是多種腦疾病發生的起源地。因此,精確解析突觸中的蛋白分子結構和組織架構、及其在神經活動或異常過程中的變化,是解密大腦奧妙的一個關鍵環節。
但突觸的大小隻有幾百奈米,突觸蛋白只有幾奈米,由於體積小而其分子結構複雜,目前突觸對科學界來說更像一個“黑匣子”。
為此,團隊“兵分兩路”,在重構完整的腦圖譜同時,研發對腦神經突觸在分子乃至原子水平的超微解構解析,做到“既見森林,又見樹木,還見樹葉”。
中心副研究員陶長路介紹道,目前的冷凍電鏡技術可以對蛋白質最微小部分進行解析,但在蛋白質的生物大分子研究中,儲存其生理狀態成為難點。為此,中心將冷凍電鏡斷層原位成像技術(cryoET)與顯微成像技術結合,克服了這一問題,將神經突觸的成像精度提高到了2奈米,相當於一根頭髮絲的兩千分之一。
△腦神經突觸的三維視覺化
利用這一方法,近日,中心聯合中國科學技術大學、美國加州大學洛杉磯分校,解析了首個完整腦神經突觸在分子水平的高精度三維結構,研究成果發表在《自然-神經科學雜誌》。
△腦資訊中心團隊
如今,腦科學相關的大量資料正在產生,如何分析並利用這些資料成為焦點,腦資訊中心正致力於此。“未來,中心將協同相關單位,建立開放共享的平臺,努力探索發展出新的學科領域。”深圳先進院腦所所長王立平如此表達他對中心未來發展的期望。
(受訪者供圖)
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