显微镜|新X射线显微镜技术助力大脑地图精确绘制
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神经科学的重大任务之一是绘制精确的大脑地图 ， 包括所有的神经元以及它们之间的连接 。 大脑地图（神经连接体）可协助研究人员阐明细胞集合是如何协同产生思想、记忆、行为以及其他功能的 。
美国哈佛医学院、波士顿儿童医院和欧洲同步辐射设备（ESRF）的研究团队9月14日在《自然神经科学》杂志发文称 ， 他们利用X射线全息纳米断层扫描技术（XNH）在高分辨率下对小鼠大脑和果蝇神经组织进行了成像 。 这也许能加速神经回路及大脑的绘制工作进程 。
此外 ， 结合人工智能驱动的图像分析 ， 研究人员还重建了密集的3D神经回路 ， 对神经元进行了全面分类 ， 并在果蝇中追踪到了从肌肉到中枢神经系统的单个神经元 。
论文作者、波士顿儿童医院的神经学助理教授Wei-Chung Allen Lee说：“我们认为 ， 这将为理解大脑开辟新途径 ， 并帮助人们了解神经紊乱、影响大脑结构的疾病 。 ”
神经连接体研究是一个巨大的挑战 ， 因为人类大脑大约有1000亿个神经元 ， 100万亿个神经连接 。 之前 ， 科学家们已经在动物模型中取得了一定进展：利用电子显微镜对果蝇大脑的连续切片进行成像 ， 再将图像拼接起来进行分析 。 但这种方法需要耗费大量的时间和资源 。 为了开发新的成像方式 ， Lee等与专攻X射线显微镜和神经成像的Pacureanu实验室合作 ， 开始尝试将XNH应用于神经组织 。
XNH的工作原理是 ， 将旋转的组织样本暴露在接近光速的高能X射线下 ， 根据样品引起的光束的微妙相移变化生成图像 。 相比标准X射线成像 ， XNH的灵敏度更高 。 此外 ， 通过与低温成像技术相结合 ， XNH还能保护标本免受X射线能量的破坏 。
为了对XNH生成的图像进行解释 ， 研究小组利用了深度学习技术 。 作为原理证明 ， 研究人员扫描了小鼠和果蝇的神经组织 ， 重建了分辨率达87纳米左右的3D图像 。 这足以让研究人员全面可视化神经元并追踪单个神经突 。 重要的是 ， 重建过程只需几天时间就能完成 。
论文作者、ESRF科学家Alexandra Pacureanu表示：“这项技术以前也曾被应用于神经组织 ， 但从未达到这次的高质量和高分辨率 ， 我们已经证明 ， 我们能够获取足够分辨率用于追踪神经突 ， 并将研究方向转向连接体 。 ”
目前 ， XNH的分辨率还不足以可视化突触 ， 研究人员尚需借助电子显微镜数据进行比对分析 。 研究人员正致力于进一步优化XNH在生物组织成像中的应用 。
科界原创
编译：花花
审稿：西莫
责编：雷鑫宇
期刊来源：《自然神经科学》
期刊编号：1097-6256
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200914114125.htm
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