駱清銘小組《科學》論文描繪小鼠全腦高分辨率圖譜

　　美國當地時間11月5日，第330期《科學》（Science）刊發了題為“顯微光學切片層析成像獲取小鼠全腦高分辨率圖譜”的論文。該論文由華中科技大學武漢光電國家實驗室（籌）生物醫學光子研究中心教授帶領的科研組在校完成。

　　該論文由武漢光電國家實驗室（籌）生物醫學光子學研究中心的李安安、龔輝、張斌、王青蒂、嚴程、吳景鵬、劉謙、曾紹群、駱清銘組成的科研組完成。其中，駱清銘教授為責任作者，李安安、龔輝、張斌為共同第一作者。

　　據介紹，2002年3月，駱清銘就開始帶領其科研組，研制顯微光學切片層析成像系統，以獲取小鼠全腦神經元連接信息。2006年，李安安等人加入研究團隊。經過八年的潛心研發，科研組建立了可對數厘米大小樣本進行亞微米水平精細結構三維成像的方法和技術，發明并研制了一臺顯微光學切片層析成像系統。

　　科研組使用研制的系統，對制備好的鼠腦為樣本，全自動連續242小時進行了數據采集，共獲得15380層像素分辨率為0.3×0.3微米的冠狀斷面圖像。同時，科研組利用高定位精度的三維移動平臺，及在切片中采用對先采取到的信息進行驗證分析的方法，對圖像準確定位和預處理，實現了突起水平的小鼠全腦結構成像，獲得了一套來自同一只老鼠的全腦組織切片圖譜。這種介觀水平的小鼠全腦神經解剖圖譜，為數字化鼠腦結構和腦功能仿真研究提供了重要的基礎性實驗數據參考。

　　審稿人評價說，此篇論文內容新穎，會引起從事連接領域研究人員的高度興趣，論文以方法為主要中心，同時描述了鼠腦高爾基結構三維數據集，是目前最大的也是分辨率最高的鼠腦突起結構數據集。

　　顯微光學切片層析成像系統有望用于構建不同腦疾病鼠全腦的圖片，及鼠全腦內血管微循環的精細結構網。結合熒光鼠腦樣本技術的進展，還可以高分辨地獲得鼠腦功能連接圖譜。此外，顯微光學切片層析系統可以推廣應用到對其他數厘米大小的昆蟲、動物的胚胎、局部器官、植物、甚至某些材料等進行高分辨率三維結構成像。

　　第330期《科學》“每周新聞”（NEWS OF THE WEEK）欄目對該論文發表的“編者按”文章的中文翻譯(含更正)

　　克里斯坦·米諾格（Kristen Minogue）

　　任何在商界的人，或者只是美國電視節目《誰是接班人》的粉絲，都應該知道“連接”的重要性。神經科學家們同樣也明白，這也是為什么一個來自中國的研究團隊需要竭盡全力地創造出至今為止最精細的小鼠全腦神經元三維連接圖譜。該工作目前已在本周的《科學》雜志網絡版上發表（）。研究人員認為，盡管在本次發表的文章中未涉及驚人的發現，但文章中所提供的數據和全新的自動化腦圖譜獲取儀器將會為未來的研究提供重要基礎。

　　來自洛杉磯南加州大學的神經科學家米哈伊爾·波塔（Mihail Bota）說，要了解腦功能或功能異常，獲取神經元間的完整連結圖譜至關重要。如果在不清楚這種細胞回路連接的情況下去理解大腦，就好比你想組裝一輛汽車，有所有正確的零部件，但不知道它們如何連接：“你不知道信號是如何輸入的，也不知道是如何輸出的，更不知道信號是如何被處理的”。

　　這個新的腦圖譜項目與近期另外幾家單位的工作相似，但沒有一家能達到與中國研究成果類似的精細程度。去年，加州的一個研究團隊開始對心理學上最著名的失憶人亨利·古斯塔夫·莫萊森（Henry Gustav Molaison）的腦進行切片，希望找到究竟是什么擾亂了他的長期記憶（Science, 26 June 2009, p. 1634）。此外，在2006年，位于華盛頓州西雅圖市的艾倫腦科學研究所耗資四千一百萬美元獲取了一套三維小鼠腦圖譜。該圖譜記載了細胞水平分辨率的基因表達分布，目前已經以網絡數據庫的形式向神經科學家開放。

　　但是上述項目都不具備足夠的成像分辨率，無法在全腦范圍觀察到連接所有神經細胞的軸突和樹突。為了完成這個艱巨的任務，在駱清銘的率領下，來自中國華中科技大學武漢光電國家實驗室布立頓·強斯生物醫學光子學研究中心的研究者們，將傳統的切片-掃描技術應用在一種全新的自動模式中。當厘米大小的腦從小鼠體內取出后，先浸泡在染料中進行長達六個月細胞染色，然后脫水和包埋。之后，他們將制備好的鼠腦安裝在自主研發的顯微光學切片層析成像儀器上切片和成像。該儀器的組成包括一個能對組織進行微米級切片的金剛石刀具，一個光學顯微鏡，以及一個能連續采集圖像的圖像采集裝置。最終獲取了一個總數據量為8萬億字節的小鼠全腦圖譜，整個圖像采集不間斷地連續進行了10天。

　　來自波士頓大學的神經科學家杰森·布蘭德（Jason Bohland）說，揭示大腦中準確的神經連接關系非常重要，因為很多復雜的大腦疾病，比如自閉癥或精神分裂癥，可能是由大腦內回路連接出現的問題所導致的。他說，神經科學家們越來越強烈的感覺到，社會或語言功能障礙很有可能是由神經細胞之間的連結通路紊亂所引起的。為了在細胞回路水平弄清楚大腦內究竟發生了什么，科學家們需要更加精細的圖譜。杰森·布蘭德還說，“在腦區上不會出現的復雜行為，在神經回路水平上卻會出現”。