利用电子显微镜重建了果蝇的一系列神经元

研究人员利用电子显微镜重建了果蝇的一系列神经元。

科学家近日首次对黑腹果蝇的整个大脑进行了足够详细的成像，从而能探测每个神经元之间的单独连接，或者说突触。由此获得的图像数据库可帮助研究人员描绘支撑果蝇嗅闻、嗡嗡叫、空中飞行等各种行为的神经回路。

“可以说，这个数据集及其创造的研究机会是神经生物学领域最近发生的最重要的事情之一。”并未参与最新工作的美国哈佛大学神经生物学家Rachel Wilson表示，“世界上任何对此感兴趣的人都可以下载这个数据集并且查明任何两个神经元之间是如何‘对话’的。”

同人类头骨中的约1000亿个神经元相比，含有10万个神经元的果蝇大脑非常初级。但霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区神经科学家Davi Bock认为，果蝇不只是“你在吃晚餐时从酒杯上挥手赶走的小污点”。果蝇大脑中的一些系统，比如负责探测和记忆气味的系统——可能和人类共享“通用的准则”。

为阐明单个突触的特征，Bock和同事利用了和传统光学显微镜相比能分辨更细微细节的电子显微镜。他们将果蝇大脑浸在含有重金属的溶液中。这些重金属同神经元的细胞膜和突触的蛋白质捆绑在一起。Bock解释说，这使得大脑看上去像一团面条，并且外面是黑色的，里面是白色的。随后，研究者用金刚石刀将大脑切成约7000片。每片都会被来自显微镜的电子束撞击以产生图像。

这一过程需要每秒能捕捉100帧的相机、一个使每个大脑切片快速进入纳米尺度位置的机器人系统，以及将由此获得的2100万幅图片拼凑在一起的软件。产生的重建图使研究人员得以聚焦单个突触的特征。

“这篇论文从技术成就的角度来说绝对是杰作。”洛克菲勒大学神经生物学家Cornelia Bargmann表示。Bargmann研究秀丽隐杆线虫的神经系统。秀丽隐杆线虫的302个神经元的布线图，或者说连接组在1986年发表。为获得果蝇的类似图像，研究人员不得不利用获得的最新图像追踪每个神经元同它在大脑内“聆听”和“对话”的其他每个神经元之间的关联。

迄今为止，Bock及其团队针对大脑中一小部分神经元完成了此项工作。这部分大脑涉及学习和记忆气味，被称为蕈形体。这项日前在《细胞》杂志上得以描述的研究，提供了关于果蝇嗅觉系统的新细节。比如，将气味信息传递给蕈形体细胞的神经元形成了异常紧密的束状物。目前，Bock团队正在寻找关于果蝇如何从环境中嗅到气味的线索。

如果全球的研究团队成功描绘出果蝇大脑的完整布线图，随后他们将需要把这一信息同记录活体果蝇大脑活动的其他技术结合起来。Bargmann表示，神经元之间的连接强度随着不同情形和时间发生改变。“我在30年里致力于研究一种生物体的连接组，而目前我们仍在探寻这一神经系统是如何工作的。”

不过，最新论文描述的技术能力表明，很快就有可能描绘出另一种在进化上同人类更接近的生物体的大脑连接组。“考虑到他们已经证实这些方法在果蝇身上奏效，斑马鱼具有同样量级的复杂度。”Bargmann说，“我认为，我们可能很快在脊椎动物身上获得突破。”