几十年来，观察人类大脑内部的任何事物(无论大脑大小)一直是神经科学家难以企及的梦想，但在《科学》杂志的一项新研究中，麻省理工学院的研究小组描述了一种技术管道，使他们能够以高分辨率和高速度对两个捐赠者(一个患有阿尔茨海默病，另一个没有)的大脑半球进行精细处理、丰富标记和清晰成像。
“我们对人类大脑组织进行了多种分辨率的整体成像，从单个突触到整个大脑半球，并且我们已经公开了这些数据，”资深通讯作者、麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所、化学工程系、脑与认知科学系和医学工程与科学研究所副教授 Kwanghun Chung 说道。“这项技术流程确实使我们能够在多个尺度上分析人类大脑。这项流程可能用于全面绘制人类大脑。”
这项新研究尚未呈现完整的大脑地图或图谱，无法识别和分析每个细胞、回路和蛋白质，但通过全脑成像，它展示了一套由三种技术组成的综合套件，可实现这一目标以及其他长期寻求的神经科学研究。该研究通过展示该流程所能实现的大量示例提供了“概念验证”，包括整个大脑区域内数千个神经元的全景图、每个细胞都有单独细节的多样化细胞森林以及位于细胞外分子之间的亚细胞结构簇。研究人员还针对阿尔茨海默病和非阿尔茨海默病半球内的选定区域提供了丰富的定量分析比较。
钟氏说，能够对整个人类大脑半球进行完整的成像，甚至精细到单个突触(神经元形成回路的微小连接)的分辨率，对于了解健康和疾病状态下的人类大脑具有双重重要性。
一方面，它将使科学家能够使用同一个大脑对问题进行综合探索，而不必例如观察不同大脑中可能存在很大差异的不同现象，然后试图构建整个系统的综合图像。新技术管道的一个关键特征是分析不会降解组织。相反，它使组织非常耐用，并且可以反复重新标记，以根据新研究的需要突出显示不同的细胞或分子，可能持续数年。在论文中，Chung 的团队演示了使用 20 种不同的抗体标签来突出显示不同的细胞和蛋白质，但他们已经将其扩展到 100 种或更多。
Chung 表示：“考虑到人类大脑个体差异性高以及人类大脑样本的珍贵性，我们需要能够看到所有这些不同的功能组件——细胞、细胞形态和连接性、亚细胞结构以及它们各自的突触连接，最好是在同一个大脑内。这项技术流程确实使我们能够以完全集成的方式从同一个大脑中提取所有这些重要特征。”
另一方面，该流程相对较高的可扩展性和吞吐量(对准备好的整个脑半球进行成像只需 100 小时，而不是几个月)，这意味着可以创建许多样本来代表不同的性别、年龄、疾病状态和其他因素，从而能够进行稳健的比较并提高统计能力。Chung 表示，他设想创建一个完全成像的大脑库，研究人员可以根据新研究的需要对其进行分析和重新标记，以便进行更多他和合著者在新论文中对阿尔茨海默病和非阿尔茨海默病半球进行的比较。
三大关键创新
Chung 表示，他在实现论文所述进展过程中面临的最大挑战是在麻省理工学院组建一支团队，其中包括三名特别有才华的年轻科学家，他们都是这篇论文的共同主要作者，因为他们在三项重大创新中发挥了关键作用。机械工程师、前博士后 Ji Wang 开发了“Megatome”，这是一种将完整的人类大脑半球切成薄片的设备，切片非常精细，不会对大脑造成任何损伤。材料工程师、前博士后 Juhyuk Park 开发了一种化学技术，可以使每个大脑切片清晰、灵活、耐用、可扩展，并且可以快速、均匀和重复地标记，这项技术被称为“mELAST”。麻省理工学院化学工程研究生 Webster Guan 擅长软件开发，他创建了一个名为“UNSLICE”的计算系统，可以无缝地重新整合切片，以完整的 3D 形式重建每个大脑半球，直至单个血管和神经轴突(它们延伸以与其他神经元建立连接的长链)的精确排列。
由于人脑非常厚(是鼠脑体积的 3,000 倍)且不透明，因此任何技术都无法在不切片的情况下以亚细胞分辨率对整个人脑解剖结构进行成像。但在 Megatome 中，组织完好无损，因为王女士(目前在 Chung 创办的 LifeCanvas Technologies 公司任职)设计了刀片，使其左右振动速度更快，但扫描范围却比之前的振动切片机更广。与此同时，她还精心设计了该仪器，使其完美地保持在平面内，Chung 说。结果是切片在分离时或其他任何地方都不会丢失解剖信息。而且由于振动切片机切割速度相对较快，可以切割更厚(因此更少)的组织板，因此可以在一天内而不是数月内切片整个半球。
管道中的板可以更厚的主要原因来自 mELAST。Park 设计了注入大脑样本的水凝胶，使其光学透明、几乎坚不可摧、可压缩和可膨胀。结合 Chung 实验室近年来开发的其他化学工程技术，样本可以均匀快速地注入抗体标签，突出显示感兴趣的细胞和蛋白质。作者在研究中报告说，使用实验室定制的光片显微镜，可以在大约 100 小时内对整个半球进行成像，直至单个突触。Park 现在是韩国首尔国立大学的助理教授。“这种先进的聚合物网络可以微调组织的物理化学性质，实现对完整人脑的多重多尺度成像，”Park 说。
在对每个板块进行成像后，接下来的任务是通过计算恢复整个半球的完整图片。Guan 的 UNSLICE 在多个尺度上完成此操作。例如，在中间或“中观”尺度上，它以算法方式追踪从相邻层进入某一层的血管并进行匹配。但它也采用了更精细的方法。为了进一步记录板块，该团队特意用不同的颜色标记了相邻的神经轴突(就像电器中的电线一样)。Chung 说，这使得 UNSLICE 能够根据追踪轴突来匹配各层。Guan 现在也在 LifeCanvas 工作。
在这项研究中，研究人员列举了一系列例子来说明该流程可以做什么。第一个图显示，成像可以让人们丰富地标记整个半球，然后从大脑结构的广泛范围放大到电路级别，然后是单个细胞，然后是突触等亚细胞成分。其他图像和视频展示了标记的多样性，揭示了长轴突连接以及不同细胞类型的丰富度和形状，不仅包括神经元，还包括星形胶质细胞和小胶质细胞。
探索阿尔茨海默症
多年来，Chung 一直与论文合著者、阿尔茨海默症研究员、麻省总医院脑库主任 Matthew Frosch 合作，对阿尔茨海默症患者的大脑进行成像和了解。在建立新管道后，他们开始了一项开放式的探索，首先注意到在一块组织中，与对照组相比，患病样本中神经元的损失最大。从那时起，他们就按照自己的好奇心行事——因为技术允许他们这样做——最终进行了一系列详细的调查，如论文中所述。
“我们并没有提前安排好所有这些实验，”Chung 说。“我们一开始只是说，‘好吧，让我们对这块板进行成像，看看我们能看到什么。’我们确定了大脑中神经元大量丢失的区域，让我们看看那里发生了什么。‘让我们深入研究。’所以我们使用了许多不同的标记来描述和观察致病因素与不同细胞类型之间的关系。
Chung 表示：“这条管道让我们几乎可以不受限制地获取组织。我们总是可以回过头来寻找新的东西。”
他们将大部分分析重点放在每个半球的眶额皮质上。他们所做的许多观察之一是，突触损失集中在与淀粉样斑块直接重叠的区域。在斑块区域之外，阿尔茨海默病患者的大脑突触密度与未患此病的大脑一样高。
钟先生表示，当然，凭借仅有的两个样本，研究团队无法对阿尔茨海默病的性质得出任何结论，但这项研究的重点是，目前我们已经有能力对人类整个大脑半球进行全面成像和深入分析，从而实现这种研究。
值得注意的是，该技术不仅适用于大脑，还同样适用于身体的许多其他组织。
作者总结道：“我们设想这个可扩展的技术平台将促进我们对人体器官功能和疾病机制的理解，从而促进新疗法的发展。”