你知道那些科学突破的故事,其中孤独的天才科学家多年来挣扎,直到他的“尤里卡!”片刻?

是的,那是谎言。

随着巨大的数据革命,今天科学发现是大规模合作的结果。

案例指出?上周,18个机构组织并设计了一种方法,以比以前的速度快1000倍的方法。被团队称为“复仇者,团结!”瞬间,它们组合强度将脑组织造成脑组织到20倍的尺寸超过20倍,并扫描其内部电路和分子成分 - 下降到纳米级水平 - 使用一种新型的烈性快速显微镜。

结果是飞行和鼠标大脑的令人惊叹的视频,其中每个角落和裂缝都在霓虹色彩中照亮和重建。

这不仅仅是眼糖果。科学家们一直急切地设计了以提高精度和分辨率映射整个大脑的新方法,希望解锁大脑的谜团 - 哪些电路底层是什么行为?如何形成,保存和检索回忆?电路如何重新组织学习或年龄?

但最终的游戏要雄心勃勃得多:在计算机中模拟整个大脑,有人说这一壮举最终将导致全面的发展AI.。之前的尝试由于花费了数年时间费力地拼凑出单个大脑而受阻。

但现在,“我们越过了成像性能的门槛,”麻省理工学院的艾德·博伊登博士,是这个项目的主要研究人员之一。“这就是我们如此兴奋的原因。我们不仅仅是在逐步扫描更多的脑组织,我们在扫描整个大脑。”

两队发布结果科学

大脑成像备忘单

我们大多数人都听说过MRI.作为一种形象脑和诊所潜在问题的一种方式。

但事情在实验室中得到了很多狂欢,在那里科学家们正在绘制一下神经元分支的每一个扭曲和转弯,它们主要坐在一个名为树突脊柱的分支上的小突起上。

为了梳理组织脂肪糊状物中的结构,科学家们已经长期使用了微小的小蛋白灯来照亮大脑的部分。通过用动物的基因组来修补,科学家可以“标记”这些光线 - 以彩虹的所有颜色到诸如突触或分支的特定结构。

然后他们煞费苦心地取出大脑,把它切成极薄的薄片,然后用各种方法处理这些薄片,以增强显微镜下的光线亮度。切片被一个一个地成像,然后用高级算法缝合成3D图像。

这是一个痛苦的繁琐过程,如果不是几个月或几年。更重要的是,如果显微镜在分辨率中固有地限制,则重构可以最终模糊 - 如果要模拟大脑,则最终就会启动很大。

《爱丽丝梦游仙境》

几年后,Boyden用一个看似坚果的解决方案解决了这个问题:为什么不扩展大脑呢,所以它的细节更容易看?

博伊登的团队使用一种可膨胀的凝胶,将大脑封装在这种材料中,然后加水,使大脑膨胀到原来大小的20倍左右。

你认为这个过程会撕裂细腻的脑组织。相反,神经元和电路受到凝胶的保护,并且脑内的每个分子在膨胀后保持其相对位置。

高等al之前的脑形象
在扩大果蝇的之前和之后。图片来自Gao等人,SCIENCE Vol. 363, Issue 6424, eaau8302(2019年1月18日)。重新发布许可美国科学促进协会(AAAS)

此后,世界各地的科学家采用了这项技术,对我们大脑的组织模式有了惊人的发现。然而,这些团队都遇到了一个问题:随着规模的扩大,成像时间也随之延长,这使得绘制大型电路成为一项繁琐的工作,而且整个大脑都不可能完成。更重要的是,你照射光蛋白的时间越长,就越容易漂白蛋白质——导致图像上出现黑点——或者光损伤脑组织。

大规模成像

那是Boyden在Hhmi的Janelia Research Campus呼叫时给了Eric Betzig博士。

早在2014年,Betzig和他的同事们就开发出了这一技术强大的新工具它可以快速收集高分辨率图像,并将损害降至最低。这种名为“晶格光片显微镜”的技术,用一薄层光扫描大脑组织的每一个平面多次。这只保持了一个焦平面,这有助于减少模糊。

该仪器还能以一种大大降低光强度的方式将光束分开——光强度越低,光损伤就越小,这使得研究人员可以在不油炸珍贵样本的情况下,对大脑进行长时间成像。

更重要的是,因为光线捕捉的是整个平原,而不是一组点,它捕捉图像的速度要快得多,而且不牺牲分辨率。

显微镜允许Betzig和团队跟踪健康,生活细胞的亚细胞动态,因为他们对他们的业务。结果捕获了Boyden的眼睛:膨胀显微镜,几乎半透明地转过大脑,可能是Betzig的技术,它从一侧闪耀光,并从另一侧拍摄照片。

高等人制作了各种形状和大小的细胞器
各种形状和大小的细胞器。图片来自Gao等人,SCIENCE Vol. 363, Issue 6424, eaau8302(2019年1月18日)。重新发布许可美国科学促进协会(AAAS)

Betzig更愤世嫉俗。

“我以为他们都是这样……我要让他们看看,”他说。

相反,事实证明这种组合比任何人预期的都要强大得多。在贝齐格的显微镜下,扩张的老鼠组织泄露了所有的结构秘密。每个神经元的分支上都有蘑菇状的突起,树突状的刺,通常很难看清——蘑菇的“脖子”看起来就像一个模糊的斑点。相反,即使是最小的脖子也成为了焦点。

Gao等人的树突棘
树突棘。图片来自Gao等人,SCIENCE Vol. 363, Issue 6424, eaau8302(2019年1月18日)。重新发布许可美国科学促进协会(AAAS)

然后,研究小组比较了老鼠皮层不同部位突触的密度作为概念证明,新技术允许他们在短短几天内分析数百万个突触。

“使用电子显微镜,这将花年才能完成,”第一作者Ruixuan Gao博士。

全脑革命

鼓励,球队转向全大脑,从飞行开始。苍蝇的大脑大致含有罂粟种子的大小,含有约100,000个内核在复杂电路中连接的神经元。

该团队将大脑分解成5万个“立方体”的3D块,并设计了新的算法,将这些块像拼图一样拼接在一起。随后,其他成员加入进来,将超过4000万个突触转化为令人惊叹的霓虹色视觉效果,以使数据更易于理解。

在一组实验中,该团队在多个脑区追踪了嗅觉相关的电路,在这些电路内识别了一组特定的神经元,并计算了所有突触。这是一个以前难以想象的比例和深度。

然而,这是全脑成像技术革命刚刚开始,团队相信还有更多改进。某些大脑区域不喜欢用蛋白质灯泡标记,并且总是难以挤压以轻盈的亮点。并非所有类似组织一样被拉伸 - 例如胶原蛋白,胶原蛋白,可以构成结缔组织。也许最重要的是,每个处理步骤都可以将文物引入组织中,这意味着科学家必须仔细验证其结果。

但是未来看起来比以往更明亮。科学家终于看看大脑的大规模地图,以确定驱动大脑疾病的变化,解释我们如何在整个寿命中进行记忆和决策,或者跟踪电路改变。及时,我们可以到达整个神经系统的地图。

“这就像神经科学的圣杯,”Boyden说。

图像信用:图像来自Gao等人,SCIENCE Vol. 363, Issue 6424, eaau8302(2019年1月18日)。重新发布许可美国科学促进协会(AAAS)

范雪来,神经科学家,科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑的过程中,她迷上了人工智能和所有的生物技术。毕业后,她搬到加州大学旧金山分校(UCSF)研究让衰老大脑恢复活力的血液因子。她是…

遵循搁置: