神經(jīng)科學(xué)的一項(xiàng)重大任務(wù)是建立精確的大腦圖，繪制出其所有神經(jīng)元及其之間的聯(lián)系的圖表。這樣的接線圖稱為連接組，有望幫助闡明一組細(xì)胞如何共同產(chǎn)生思想，記憶，行為和無(wú)數(shù)其他功能。

目前，哈佛醫(yī)學(xué)院，波士頓兒童醫(yī)院和歐洲同步加速器輻射設(shè)施(ESRF)的研究人員已經(jīng)證明，一種新的X射線顯微鏡技術(shù)可以幫助加速繪制神經(jīng)回路以及最終繪制大腦本身的圖。

該小組在9月14日的《自然神經(jīng)科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇文章，描述了如何使用X射線全息納米斷層攝影(XNH)高分辨率成像相對(duì)大量的小鼠大腦和果蠅神經(jīng)組織。

結(jié)合人工智能驅(qū)動(dòng)的圖像分析，他們以3D形式重建了密集的神經(jīng)回路，對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行了全面分類，甚至在果蠅中從肌肉到中樞神經(jīng)系統(tǒng)都追蹤了單個(gè)神經(jīng)元。

“我們認(rèn)為，這將為理解大腦開辟新途徑，包括大腦的組織方式和構(gòu)成其功能的電路。這種知識(shí)可以使我們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病，影響大腦結(jié)構(gòu)的疾病以及其他方面有基本的了解。”

李偉中，通訊作者，波士頓兒童醫(yī)院HMS神經(jīng)學(xué)助理教授

這組作者說(shuō)，對(duì)于諸如神經(jīng)回路發(fā)現(xiàn)之類的生物學(xué)問(wèn)題，X射線顯微術(shù)比基于電子顯微術(shù)(EM)的當(dāng)前方法更具優(yōu)勢(shì)。

“我們認(rèn)為XNH可以為神經(jīng)科學(xué)帶來(lái)很多價(jià)值，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以在更短的時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)大得多的內(nèi)容，” ESRF的科學(xué)家之一亞歷山德拉·帕庫(kù)里亞努(Alexandra Pacureanu)說(shuō)。“這是嘗試?yán)L制神經(jīng)回路的新方法的開始。”

近光速度

研究連接組是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。例如，人腦包含約1000億個(gè)神經(jīng)元，它們具有100萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)連接，大約相當(dāng)于1000個(gè)星系中的恒星數(shù)。

在動(dòng)物模型中，科學(xué)家取得了舉世矚目的進(jìn)步，例如對(duì)整個(gè)果蠅的大腦進(jìn)行成像，主要是通過(guò)截取比人的頭發(fā)細(xì)一千倍的連續(xù)的大腦切片，用電磁成像對(duì)切片進(jìn)行成像并將圖像拼接在一起進(jìn)行分析。

這種方法的成本在時(shí)間和資源上可能令人望而卻步，需要大量的EM圖像，這些圖像具有狹窄的視野，并且需要大量的精力來(lái)重建甚至很小的神經(jīng)回路。研究作者說(shuō)，需要新的成像方法來(lái)加速這種努力。

為此，Lee的實(shí)驗(yàn)室研究了神經(jīng)回路的組織和功能，并與專門從事X射線顯微鏡和神經(jīng)成像的Pacureanu合作。HMS神經(jīng)生物學(xué)研究員亞倫·關(guān)(Aaron Kuan)和哈佛大學(xué)神經(jīng)科學(xué)計(jì)劃研究生Jasper Phelps共同領(lǐng)導(dǎo)了該團(tuán)隊(duì)，他們致力于將XNH應(yīng)用于神經(jīng)組織。

該技術(shù)類似于CT掃描，該技術(shù)使用旋轉(zhuǎn)X射線創(chuàng)建人體的連續(xù)橫截面圖像。相比之下，XNH在ESRF的同步加速器中將旋轉(zhuǎn)的組織樣本暴露于高能X射線，從而將電子加速到844米環(huán)附近的近光速度。

與標(biāo)準(zhǔn)X射線成像不同，標(biāo)準(zhǔn)X射線成像依賴于光束穿過(guò)組織時(shí)X射線衰減的差異，XNH基于樣品引起的光束細(xì)微相移的變化來(lái)創(chuàng)建圖像。后一種方法提高了靈敏度，并與低溫條件下的成像相結(jié)合，有助于保護(hù)和保護(hù)標(biāo)本免受X射線能量的損壞。

XNH生成的圖像必須進(jìn)行解釋，以識(shí)別哪些結(jié)構(gòu)是神經(jīng)元。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)應(yīng)用深度學(xué)習(xí)解決了這一問(wèn)題，深度學(xué)習(xí)是一種人工智能技術(shù)，越來(lái)越多地用于諸如人臉或物體識(shí)別等應(yīng)用。

作為原理證明，研究人員掃描了幾毫米大小的鼠標(biāo)和果蠅神經(jīng)組織，并重建了3D圖像，實(shí)現(xiàn)了約87納米的分辨率。這足以全面可視化神經(jīng)元并追蹤單個(gè)神經(jīng)突，這些神經(jīng)突來(lái)自形成神經(jīng)回路連線的神經(jīng)元投影。

重要的是，與使用串行EM截面重建相似體積所需的幾個(gè)月甚至幾年相比，這些重建需要幾天的時(shí)間。

形式發(fā)揮作用

在老鼠的大腦中，研究小組研究了整合感覺(jué)刺激和知覺(jué)決策的皮質(zhì)區(qū)域。先前的EM研究已經(jīng)注意到了該區(qū)域所謂的錐體神經(jīng)元的有趣結(jié)構(gòu)特征，但是由于視野限制，每個(gè)數(shù)據(jù)集的樣本量?jī)H限于約20個(gè)神經(jīng)元。

研究人員使用XNH掃描了該區(qū)域的3200多個(gè)細(xì)胞。結(jié)合對(duì)齊的EM數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)百個(gè)錐體神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和連通性進(jìn)行了表征，揭示了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性-例如某些神經(jīng)突區(qū)域上的強(qiáng)力和空間壓縮抑制性輸入-暗示了獨(dú)特的和以前未描述的功能特性。

波士頓兒童基金會(huì)柯比神經(jīng)生物學(xué)中心的研究人員李說(shuō)：“能夠可視化神經(jīng)元有助于我們理解大腦的組織原理，以及不同的電路或網(wǎng)絡(luò)如何執(zhí)行行為所需的計(jì)算。” “然后我們可以做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與功能實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，以嘗試直接解決這個(gè)問(wèn)題。”

他們還對(duì)果蠅腿中包含的神經(jīng)元進(jìn)行了成像，這種結(jié)構(gòu)很難通過(guò)EM進(jìn)行切片和研究。借助XNH，他們能夠繪制從相當(dāng)于蒼蠅的脊髓延伸到腿部的所有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，以及將信號(hào)傳遞至中樞神經(jīng)系統(tǒng)的感覺(jué)神經(jīng)元。

HMS Blavatnik研究所神經(jīng)生物學(xué)系的前訪問(wèn)科學(xué)家Pacureanu說(shuō)：“該技術(shù)以前曾應(yīng)用于神經(jīng)組織，但從未達(dá)到如此高的質(zhì)量和分辨率。” “我們已經(jīng)證明，我們可以獲得足夠的分辨率來(lái)追蹤神經(jīng)突并使研究朝著連接體的方向發(fā)展。”

研究人員現(xiàn)在正在努力改善和進(jìn)一步優(yōu)化XNH以成像生物組織。

通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的當(dāng)前分辨率還不足以可視化突觸，這目前需要對(duì)齊的EM數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。然而，作者們說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)的物理極限還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到，而提高分辨率的努力將得到最近在ESRF運(yùn)行的下一代X射線源的幫助。

Lee說(shuō)：“ X射線顯微鏡技術(shù)具有特殊的優(yōu)勢(shì)，我們的目標(biāo)之一是將其應(yīng)用到更高分辨率的大型神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)中。” “希望我們有朝一日能夠解決一些問(wèn)題，例如我們是否能夠理解構(gòu)成決策等復(fù)雜行為的神經(jīng)回路?我們能否獲得更高效的計(jì)算機(jī)算法和人工智能的啟發(fā)?我們可以對(duì)大腦的算法進(jìn)行逆向工程嗎?”