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用“块面”电子显微镜分析小鼠脑

2018-05-18
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马克斯普朗克医学研究所的科学家团队开发了一种用于制备“块面”电子显微镜的全鼠小鼠脑的方法,这是获得小鼠大脑完整电路图的关键步骤< / EM>

当我们看到,听到,思考和记忆时,脑中会发生什么?为了能够回答这样的问题,神经科学家需要关于大脑中数以百万计的神经元如何相互连接的信息。海德堡马克斯普朗克医学研究所的科学家们已经迈出了关键的一步,即获得鼠标大脑的完整电路图,这是神经科学的一个关键模型生物。与Winfried Denk合作的研究小组开发了一种用于制备整个小鼠大脑的特殊显微镜过程的方法。因此,可以检查脑组织的分辨率非常高,几乎每个单个神经元的细微扩展都是可见的。

神经元通过扩展 - 轴突传递信息 - 并形成一个复杂的连接网络,为大脑中的所有信息处理提供基础。在显微镜下分析这个网络是神经科学面临的最大挑战之一。大多数轴突小于1微米厚,有些甚至小于100纳米。 Winfried Denk说:“电子显微镜是唯一具有足够高分辨率的显微镜,可以使彼此相邻的单个轴突相互区分开来。尽管直径很小,但轴突可能变得非常长,从大脑的一端延伸到另一端。为了获得大脑的全貌,研究人员必须分析大块组织。

2004年,与Denk合作的科学家开发了一种新方法,使他们能够做到这一点:“串联块面”扫描电子显微镜。使用这种方法检查组织,必须将其固定,染色并嵌入合成材料中。这适用于小块组织,但到目前为止,对于小鼠大脑组织来说是不可能的。在当前的一项研究中,Denk部门的Shawn Mikula成功地制备了一种老鼠脑,这样他就可以用块面显微镜分析它并追踪轴突。马克斯普朗克研究小组现在想要用“连续块面”显微镜对整个大脑进行成像,以便他们可以研究整个小鼠大脑中的神经元连接。

在他们最新的研究中,基于海德堡的研究人员证明,可以用一种能够使用“块面”电子显微镜分析整个小鼠的方法来制备小鼠的大脑。科学家面临的挑战是要处理一块大块的组织,以便将其均匀地固定并染色到内部。要做到这一点,他们开发了一个复杂的过程,其中大脑在不同的固定和染色溶液中处理数日。

使用扫描电子显微镜,电子束扫描组织切片的表面。因此单电子显微镜图像对应于穿过组织的横截面图。为了获得组织的三维图像,使用传统方法将其切成精细切片,然后将这些切片分别单独显微镜。这种方法不仅枯燥乏味,而且容易出错。块面显微镜克服了这个问题。这涉及在显微镜中插入整个组织片并扫描表面。只有这样才能切割一个薄切片,并扫描下面的图层。这使得在计算机上组合数据变得更加容易。

在对该方法进行初步分析时,科学家们随机选取了50个随机选择的神经元的轴突并用手标记。使用该过程可以清楚地重建轴突。 “但是,以这种方式追踪所有神经元将需要很长时间,因为小鼠大脑由大约7500万个神经元组成,”Denk说。因此,图像评估必须自动化。 “我们的图像具有足够的分辨率和对比度来跟随所有有髓轴突。如果我们能够在未来几年扫描整个大脑,这应该为计算机科学家提供一个主要动机来开发必要的分析方法。“

详细的脑内连接图将对澄清神经元功能作出重大贡献。 “每一个关于大脑功能的理论都是基于大脑中相应信息路径的想法。我们发现节点之间的联系非常重要,以便我们能够区分不同的大脑功能模型,“Denk解释说。

Source:Max Planck Institute

图片:马克斯普朗克医学研究所