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新的高分辨率技术可以让研究人员绘制脑电路图

<p>通过两次扩大脑组织,麻省理工学院的科学家能够获得海马中神经元的高分辨率图像麻省理工学院的一组科学家已经开发出一种方法来制作组织样本的极高分辨率图像,其成本只是以前技术成本的一小部分</p><p>通过使用传统光学显微镜成像之前扩大组织,研究人员能够获得高分辨率图像两年前,麻省理工学院的研究小组表明,有可能将组织体积扩大100倍,从而使图像分辨率达到约60纳米现在,科学家已经证明在成像之前第二次扩大组织可以将分辨率提高到大约25纳米</p><p>这种分辨率水平允许研究人员看到,例如,在大脑突触的复杂模式中聚集在一起的蛋白质,帮助神经元生物工程副教授埃德博伊登说,它也可以帮助他们映射神经回路麻省理工学院的雨和认知科学“我们希望能够追踪完整大脑回路的布线,”该研究的资深作者博伊登说,“如果你能重建一个完整的大脑回路,也许你可以制作一个如何产生它的计算模型决策和情绪等复杂现象由于您可以绘制出在细胞内产生电脉冲并在细胞间交换化学物质的生物分子,您可以对大脑动力学进行建模“这种方法也可用于对其他现象进行成像,例如相互作用癌症细胞和免疫细胞之间,没有昂贵的设备检测病原体,并映射身体的细胞类型前麻省理工学院博士后Jae-Byum Chang是该论文的第一作者,出现在自然方法双扩展科学家嵌入组织样本在聚丙烯酸酯制成的致密,均匀生成的凝胶中扩展它们在凝胶形成之前,科学家们标记了它们所需的细胞蛋白质使用与特定靶标结合的抗体进行成像这些抗体带有由DNA组成的“条形码”,而这些条形码又附着在与构成可扩增凝胶的聚合物结合的交联分子上</p><p>科学家随后分解了蛋白质通常将组织保持在一起,使DNA条形码随着凝胶溶胀而相互扩展</p><p>然后可以用结合DNA条形码的荧光探针标记这些扩大的样品,并用市售的共聚焦显微镜成像,其分辨率通常限于数百纳米使用这种方法,研究人员之前能够达到约60纳米的分辨率</p><p>然而,“单个生物分子比那个小得多,比如5纳米甚至更小”,Boyden说:“扩展显微镜的原始版本是有用的对于许多科学问题,但不能等于最高分辨率成像方法的性能,如电子在他们最初的扩展显微镜研究中,科学家发现他们可以通过减少使聚合物保持有序模式的交联分子的数量来扩大组织体积超过100倍</p><p>然而,这使得组织不稳定“如果你降低交联剂密度,聚合物在扩张过程中不再保留其组织,”博伊顿说,他是麻省理工学院媒体实验室和麦戈文脑研究所的成员“你丢失了信息”而是最新研究,他们修改了他们的技术,以便在第一次组织扩张后,他们可以创造一种新的凝胶,第二次使组织膨胀 - 他们称之为“迭代扩展”的方法</p><p>映射电路使用迭代扩展,科学家们能够对组织成像分辨率约为25纳米,与高分辨率技术(如随机光学重建显微镜(STORM))相似然而,扩展显微镜更便宜,更简单,因为不需要专门的设备或化学品,Boyden说这种方法也更快,因此与大规模3D成像兼容扩展显微镜的分辨率与扫描的分辨率不匹配电子显微镜(约5纳米)或透射电子显微镜(约1纳米) 然而,电子显微镜非常昂贵并且不能广泛使用,并且使用那些显微镜,研究人员难以标记特定蛋白质在新研究中,麻省理工学院团队使用迭代扩展来对突触进行成像 - 神经元之间的连接允许它们进行通信在他们最初的扩展显微镜研究中,研究人员能够对支架蛋白进行成像,这有助于组织突触中发现的数百种其他蛋白质</p><p>通过新的增强分辨率,研究人员还能够看到更精细的结构,例如位于突触接收侧“突触后”细胞表面的神经递质受体的位置“我希望在未来几年我们能真正开始绘制这些支架和信号蛋白的组织在突触中,“博伊登说,将扩展显微镜与一种称为时间多路复用的新工具相结合应该有助于实现这一目标at,他认为目前,只有有限数量的彩色探针可用于对组织样本中的不同分子进行成像通过时间复用,研究人员可以用荧光探针标记一个分子,拍摄图像,然后将探针清洗掉</p><p>然后重复多次,每次使用相同的颜色来标记不同的分子“通过将迭代扩展与时间复用相结合,我们原则上可以在大型3D体积上进行基本上无限色彩的纳米级分辨率成像,”Boyden说“事情是由于这些不同的技术可能很快就会相互联系而变得非常令人兴奋“研究人员也希望实现第三轮扩展,他们认为原则上可以实现约5纳米的分辨率</p><p>但是,现在分辨率受限于用于标记细胞中分子的抗体的大小这些抗体的长度约为10到20纳米,因此要获得低于该值的分辨率,r研究人员需要首先创建较小的标签或将蛋白质彼此远离,然后在扩增后递送抗体出版物:Jae-Byum Chang等,“Iterative expansion microscopy,”Nature Methods(2017); doi:101038 / nmeth4261来源:

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