连接组研究旨在阐明大脑不同部分如何共同作用
时间:2017-12-08

  Junctional Group Study旨在阐明大脑的不同部分是如何协同工作的 - News - Science Net

  一个昏昏欲睡的新生儿被裹在毯子里,躺在东西看起来像茶盘,每边都有头盔。一旦宝宝入睡,研究人员将毯子上特制的小带子拉出,小心地将宝宝推入头盔。这是一种定制的接收线圈,用于磁共振成像(MRI),这是大脑视觉成像的常用方法。研究人员沿着一个特殊的手推车将婴儿装置滑入MRI隧道,开始收集图像。

  英国科学家从大约1000次这样的扫描和500次扫描发育中的胎儿,参与开发人类大脑连通性计划,旨在描绘大脑区域在发育过程中如何相互沟通。随后,他们希望澄清为什么早产儿有发展自闭症谱系障碍或注意力缺陷多动障碍等疾病的风险,并且有可能进行类似的扫描以证实预防这些疾病的方法正在发挥作用。

  这个项目是连接小组以发现大脑的数以百计的区域和数以百万计的神经元之间的连接的众多程序之一。只研究大脑一部分的时代正在消失。南加州大学神经影像学主任Arthur Toga说。 Toga和其他科学家已经开始将健康大脑中的结扎组与像精神分裂症或像阿尔茨海默氏病这样的中断联系相关的畸变患者进行比较。

  相关小组的研究人员研究了从人类到蠕虫和苍蝇等微小生物的主题。不管细节如何,Computer Aid的科学家们不知疲倦地绘制这些连接来创建一张地图。制图师希望揭开联系小组的结构将有助于提供导航,因为神经科学家阐明了大脑不同部分如何协同工作。

  立交桥

  为了使大脑的高速公路可视化,来自10个研究机构的100名研究人员完成了由美国国立卫生研究院(HCP)资助的为期5年,价值3000万美元的人类大脑连通性计划,到2016年初,完成1200名健康成年人的核磁共振扫描,研究人员招募同卵双胞胎兄弟姐妹及其非双胞胎兄弟姐妹分析如何继承大脑连接模式,还收集智商分数和吸烟习惯等数据,到项目结束时,他们将有1千兆字节的图像。

  HCP研究人员对大脑和大量轴突的基本结构进行了描绘。他们测量了大脑中的血氧水平作为功能指标,并且在人们做工或者只是少量的时候寻找可以排出的区域。同时积极的大脑领域可能会一起工作。

  为了从每个主题获得最多信息,HCP合作伙伴与德国埃尔兰根的西门子医疗保健公司合作,优化了标准的MRI扫描仪。它产生3个特斯拉的磁场,与标准机器在磁场中几乎是一样的,但是可以更准确地控制磁场,MRI扫描仪使用磁场梯度来瞄准大脑的不同部位,而更强的磁场梯度HCP机器提供更快的成像和更好的分辨率,从而形成更为详细的轴突纤维图像。目前,该机器已经商业化。

  尽管取得了这些进展,华盛顿大学HCP和神经生物学家的联合领导人David Van Essen警告说,MRI图像只能近似大脑内部的连接。在中尺度上进行研究的科学家通过使用光学显微镜观察脑切片来获得更详细的图像。

  在这个尺度上,科学家致力于识别神经元组和它们的分歧轴突。因此,中尺度联系组的记者可以注射一个触控板来标记一个特定的大脑区域和一个与之交谈的伙伴。大部分工作是在老鼠身上完成的,但是一些研究人员正在使用灵长类mar猴进行研究。

  在西雅图的艾伦脑研究所(Allan Brain Institute),曾红奎和她的同事通过将一种带有绿色荧光蛋白(GFP)基因的病毒注射到一只活的小鼠脑中,聚集了中尺度的连接。每个注射部位的神经元沿其轴突聚集GFP,并因此指向与其通信的其他神经元。

  放大

  即使是中尺度的连通群体也只能提供大脑故事的一小部分,在微观尺度上,神经系统的制图员希望观察从神经元和脊柱状树突之间的连接突出的单个突触。每个神经元都与数以千计的其他神经元交谈,因此每个神经元可能有数千个突触。

  为此,研究人员依靠电子显微镜。霍华德休斯医学研究所霍华德·休斯医学研究所的飞行电子显微镜使用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)建立的连续方法进行合作。这与曾用光学显微镜做过的相似。他们扫描果蝇大脑的顶部,然后用顶部上方8纳米的离子束进行喷砂处理,然后重新扫描,重复整个过程,总共约500,000个大脑切片。

  用FIB-SEM分割和描绘单个苍蝇的大脑需要两三年的时间。对于较大的大鼠脑,非常快的机器是非常重要的。因此,卡尔·蔡司显微镜部门与相关的科学家小组合作开发了MultiSEM 505显微镜。该装置不使用一个电子束,而是使用61或91个电子束,因此一次可以做几十个电子显微镜。蔡司公司产品经理Stephan Nickell说,在飞机上拍摄1平方毫米的组织只需8分钟。通过将图像拼接在一起,用户可以拍摄几毫米,有时甚至几厘米的照片,这些照片反映了大脑的切片,但仍然可以放大并查看纳米级细节。

  哈佛大学的神经生物学家Jeff Lichtman说,数据处理也有同样的困难,人类在这方面仍然是最好的。他和他的同事正在研究另一种算法。其准确度大约是95%。 Lichtman相信他们可以继续改进。简农场研究园的研究人员也并不完全相信电脑。他们让计算机执行细胞和突触鉴别工作的第一步,然后使用手动校对。

  连接组中的行动

  未来10年内,可供采矿的连通群体数量将迅速增长。与此同时,科学家正在取得进展。根据范埃森,数千名科学家已经获得了部分HCP数据集。曾庆红说,每个月都有数千名科学家访问Allen Connect数据库。

  加拿大Dalhousie大学的神经科学家Ian Meinertzhagen提供了一个简单的例子,说明一个连锁组织如何为果蝇视觉系统的研究做出贡献。果蝇会被紫外线吸引,并且已知特定的光感受器可以检测到这种波长。 Meinertzhagen使用电子显微镜预测视神经叶中的特定神经元将接收来自这些光感受器的信号。果然,当他的合作者禁用这些连接时,飞行不再偏好紫外线。

  美国国家老年研究所神经科学实验室主任马克·马特森(Mark Mattson)表示,这些连接组织将为许多神经科学家提供基本信息。了解神经元如何与大脑中的其他神经元相连是非常重要的。了解不同神经元之间存在多少变异也是很重要的。

  然而,对于哪些信息是必要的,哪些细节最有用,仍然存在争议。来自纽约大学的Tony Movshon认为,Meso连接小组在理解神经回路方面表现最好,这是大脑科学家最想知道的神经元。例如,对大脑过程声音或触觉感觉感兴趣的科学家遵循中间连通性组的路径来识别可能的相关环路成员。他认为,微观联系小组提供了太多的细节来回答这些问题。宏观链接组不能挑选出许多连接,因此科学家将错过重要的循环组件。

  然而,其他人认为,所有的尺度对于神经科学研究的下一个阶段都是重要的,尽管现在预言它究竟是如何工作还为时尚早。 Lichtman说,光学显微镜和随后的电子显微镜等进展揭示了一个分子世界,科学家缺乏这样的设备是不可想象的。最终,这些信息将成为科学家依赖的资源,就像基因组一样。 Denk预测。 (宗华)

  中国科学通报(2015-10-14第3版国际)

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  自然报告(英文)