新技術實現哺乳動物大腦神經網絡重建

近日，雜志《自然—方法學》Nature Methods雜志刊登了美國霍華德-休斯醫學研究所、韓國科學技術院及浙江大學等機構的研究人員的研究成果“mGRASP enables mapping mammalian synaptic connectivity with light microscopy。”，研究人員合作開發出了一種稱為mGRASP的新技術，實現了光學顯微鏡下快速準確重建哺乳動物大腦神經網絡，為了解大腦功能打開了新的篇章。

來自美國霍華德-休斯醫學研究所的Jeffrey C Magee博士和韓國科學技術院的Jinhyun Kim博士為這篇文章的共同通訊作者。來自浙江大學求是高等研究院的趙挺副教授與Jinhyun Kim博士為這篇文章的共同*作者。

大腦是由無數神經元組成的信息計算和傳導網絡，要了解大腦的運行機制，我們必須了解大腦中的基本計算單位—神經元—是如何相互連接的。神經元之間的連接部位稱為“突觸”。自上世紀以來，雖然神經科學家發明了各種技術對突觸進行定位，以確定神經元之間的連接，但神經網絡重建仍是一項非常耗時和耗人力的工作，因為目前的技術要借助于復雜的電子顯微成像才能對突觸進行準確定位。比如線蟲總共只有302個神經元，但用電子顯微鏡重建其整個神經網絡卻花了10年以上的時間，而人類大腦有多達1000億個神經元！因此快速的神經網絡重建方法一直是神經科學家夢寐以求的技術。

2008年，來自斯坦福大學的華人科學家沈康（Kang shen）和美國洛克菲勒大學的Cornelia I. Bargmann聯合開發了一種稱為GRASP（green fluorescent protein reconstitution across synaptic partners）的新技術，可實現對活體神經系統中的突觸定位。相關研究成果發表在了當年的《Neuron》雜志上。

GRASP技術巧妙地利用了綠色熒光蛋白（GFP）標記技術。GFP是一種在水母中發現的特殊蛋白，吸收藍光后會發出綠色熒光。GRASP技術將GFP的基因序列分割為兩部分，即將GFP拆成兩個組件，分離后的組件不具發光功能。沈康等通過在兩組神經元中分別表達GFP的兩個組件的方法，來檢測神經元間的距離，是否形成了突觸連接。當兩組神經元形成連接時，GFP的兩個組件在突觸部位會自動組合形成完整的具有正常功能的GFP。GFP受藍色激光照射后，會產生綠色熒光，是原本透明的突觸結構在黑暗的顯微鏡視場中清晰地顯示出來。如果兩組神經元相距很遠，則不會產生熒光。GRASP技術具有快速、準確、高空間分辨率等特點，被廣泛應用于線蟲和果蠅研究中，但用于哺乳動物大腦檢測還受到一定的限制。

在新文章中，研究人員對攜帶GFP組件的載體進行了改造，開發出了哺乳動物GRASP（mGRASP）技術。通過這一新技術，研究人員實現了小鼠大腦中神經元突觸的定位。此外，研究人員還將生物、化學技術與計算機生物圖像信息學技術相整合，開發了一套完整的定量分析系統，利用這一系統可自動將多個視場下的顯微鏡圖像拼接成包含完整神經元的三維圖像，然后將圖像中神經元的形態及其突觸提取出來，轉化為易于分析的數字模型，從而使高通量的神經網絡重建成為可能。

研究人員估計，有了這樣的技術，可以使原需幾十年的神經網絡重建工作在幾個星期內完成。另外，該技術還可應用于疾病機制的研究，比如自閉癥和帕金森病等神經疾病可能與神經元連接異常相關，通過mGRASP可以觀察這些疾病下神經網絡發生了怎樣的變化，從而推斷其病理機制。