ZT:《細胞》：首獲得哺乳動物大腦新皮層數字立體超微結構

《細胞》：首獲得哺乳動物大腦新皮層數字立體超微結構 

已有 221 次閱讀 2015-8-2 08:10 |個人分類:自然科學|係統分類:海外觀察

將一個細胞大小的大腦組織的顯微結構組裝起來，竟用了6年時間。不過這事實確實如此，而且這並不是一個消極怠工的團隊，哈佛大學細胞生物學家Jeff Lichtman重建一小塊小鼠腦組織數字結構的研究立刻受到極大關注，這是超微數字重建領域的重要進展，因為這是第一次獲得的哺乳動物大腦皮層三維顯微結構圖。該研究論文最近發表在《細胞》雜誌。

這個腦組織大小大約為1500立方微米，這和1000億個細胞組成的人類大腦相差十分遙遠。但是，西雅圖艾倫腦科學研究所主席Christof Koch認為，該研究采用的許多技術將會對未來十多年大腦研究產生巨大促進作用。Lichtman小組已經瞄準了更大目標，向立方毫米大小大腦組織塊三維數字結構重建衝擊。這種大小的大腦組織是最新這一報道的60萬倍。研究將部分接受上月獲得美國政府的智能先進研究項目活動IARPA資金支持。IARPA屬於高風險高回報研究項目，目標是聯合哈佛和麻省理工學院對大腦的精細結構和功能進行分析，最終解析大腦在學習等功能的細胞信息計算基礎。新皮層是神經科學家非常有興趣的區域，在人類和哺乳動物相對比較發達。

大腦內神經元之間主要借助突觸相互聯係，借助突觸化學遞質信號可以在神經元之間傳遞，為適應大腦功能的需要突觸可以建立和消除。突觸結構非常細小，隻能借助電子顯微鏡才能觀察。許多突觸都形成於一個神經元短的樹突和另一個神經元長軸突之間。

這一對大腦組織進行超微結構數字重建不是一個簡單的工作。第一步，將腦皮層軀體感覺皮質用鑽石刀片切成幾千張薄片。把這些大腦組織薄片連起來卷到一個特殊的塑料帶上，每天大約能完成1000張切片。這些切片用掃描電子顯微鏡進行分析拍照，這些顯微鏡功能足夠強大能將突觸囊泡清楚顯示。

對組織超微結構進行重建，最難的就是如何區分兩個鄰近神經元的樹突，因為他們相互糾纏在一起。另外一個困難就是如何將相鄰切片的結構準確拚接，因為經過多步驟操作，結構已經發生了很大改變。為克服這些問題，這些科學家開發出計算機程序，給不同神經元分配不同的顏色，這樣能跟蹤每個不同切片中的同一個神經元。這大大地提高了自動分析的範圍和工作效率。這塊組織十分小，難以包括一個完整的細胞，但已經包含超過1600個神經元和其他6種非神經元神經組織細胞，大約有1700個神經突觸。

這一研究發現了一些新的現象，例如，一些神經信息學家曾經推測，兩個神經元之間形成突觸主要是因為兩者在物理空間上接近，但最新這一研究否定了這一看法。突觸形成表現出明顯的偏好。這一現象已經在視網膜和海馬超微結構上被發現。英國愛丁堡大學神經學家Seth Grant說，目前正在進行的一些研究或許能給這種偏好提供答案。

Lichtman小組目前正在用同樣方法分析新生兒小鼠大腦皮層，以分析是否突觸聯係在動物早期發育階段有類似現象。他們也對人類大腦皮層進行類似分析。

這種超微結構數字重建研究不僅能提高科學家對大腦功能的理解，而且能幫助設計出新的計算機計算方法。IARPA目前正在與哈佛大學麻省理工學院聯合智能實驗室集團談判，哈佛MIT聯合實驗室集團由13個不同實驗室組成，屬於基於大腦皮層神經網絡的機器智能MICrONS的一部分。IARPA負責人JacobVogelstein說，MICrONS 的總體目標，是在學習大腦工作原理基礎上，通過逆向工程徹底改變機器的學習能力。IARPA也投資於神經科學，因為我們對人類的認知、行為和決策等大腦功能都有興趣。

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