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高精度人体大脑三维图问世

2013年6月20日,据美国科学新闻报道,经过十年的艰苦研究,科学家终于把一位女性遗体捐赠者的大脑通过加工、制作和研究,完成了第一个揭示了人脑微观细节的三维数字图集,它就是BigBrain。当然,我们永远不会知道遗体捐赠者的名字以及她生前是做什么的。我们知道的仅仅是她的死亡年龄是65岁,以及她生前没有患过已知的神经系统疾病。

7400片大脑切片

一个多世纪以来,神经科学家们早已在很大程度上依赖于在1900年代早期完成的二维的大脑解剖图来进行研究工作。本篇论文的第一作者、德国于利希研究中心的神经解剖学家卡特伦·阿穆兹说,虽然原来的一些数字化的三维模型可以派点用场,但是如果要在神经水平上显示脑组织,它们就显得无能为力了。在美国马里兰州的贝塞斯达国家卫生研究院工作的神经影像学专家约瑟·马斯德乌则认为,在以前的图书馆几乎没有可用的器官图集,因为他在寻找有关资料的时候,常常得到这样的回答:“你需要的书是不存在的。”

解剖大脑,然后用数字化重新构建人类大脑是一个长期而艰巨的过程。在最近的几十年里,神经系统科学家的兴趣已经从经典解剖转移到生理学的研究上来了。阿穆兹说,只有少数实验室有专业技术和工具,可以用扫描和数字化的方法制作细如发丝的、在细胞水平上显示细部的大脑切片组织。粗糙的厚片意味着相对于真实的组织来说,缺少细节并存在更多的空白。

因此,早在2003年,阿穆兹和他的同事们就开始了人体大脑器官三维图集的准备工作。研究人员选择了一位65岁女性捐赠者的大脑作为器官图集的基础,因为这位女性没有任何明显的退行性疾病或其他损害。研究人员把大脑置放在福尔马林——一种化学防腐剂里保存起来,再把它用蜡封起来几个月。然后,研究人员开始用一种叫做“超薄切片机”的刀片来切割脑组织,就好像用熟食切片机切火鸡鸡胸一样。他们必须非常小心,在整个过程中大脑薄片不能从传输带上掉落。

接下来,研究人员把每个薄片放在显微镜下观察,再把细胞染色,使它们的神经元细胞清晰可见,然后进行扫描。总的来说,这项工作花了近1000小时的连续劳动,用于准备和扫描每个脑切片。研究人员总共获得超过7400片脑切片。在科学节目里,他们在线发表这些成果,甚至午休时间都不中断。

在处理脆弱的薄片时,研究人员表现了最大限度的耐心,避免使其发生扭曲,特别是当大脑组织切片在保存和切割的时候,要避免发生撕裂。尽管如此小心,该论文作者、加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的神经影像学专家艾伦·埃文斯说,仍有部分薄片产生了扭曲。他还说,自己的工作就是把大脑重新构建成一个连贯的整体。他认为要改变错位的扫描,使它回到正确的位置上,应该使用纠正软件,而不是用手工操作。对储存的数据进行处理时,需要使用分布在加拿大的高性能计算网格。

高出50倍的分辨率

人体大脑三维图集以比原先的方法高出50倍的空间分辨率,显示单个神经元和它们之间的联系,并且以前所未有的精度显示了一个完整的大脑模型。“BigBrain所起的作用,是让我们知道了分布在某个空间里的几乎所有的神经元。” 马斯德乌说,这可以看作欧洲的人类大脑计划的一项重要成果。欧洲的人类大脑计划计划拟耗资10亿欧元,要在下一个十年内完成人类大脑功能的计算机模型。这个项目完成后,用户可以免费通过称为CBRAIN的web门户进入。研究人员只要通过简单的鼠标点击,便可以获取鲜活的大脑综合数据,例如大脑活动扫描,达到细胞分子水平的精细的解剖信息。

当然,人体大脑三维图集的方法并不是完美的,除了切片过程会导入错误,它不能显示出个体之间存在的差异。加州大学洛杉矶分校的神经学家约翰·马兹奥塔指出,有一个解决方案,就是把人体大脑三维图集与来源于大量的分辨率较低的脑部扫描显示的数据结合起来,以显示不同的大脑结构在哪里存在差异。

有一个使脑组织透明的新方法叫做“CLARITY”,是将来脑成像研究的突破口。采用这种方法,研究人员就无须切割大脑组织了。不过马兹奥塔说,目前这种方法仅能应用于体积较小的生体组织,如小鼠的大脑。

在接下来的工作中,阿穆兹想创建一个男性和一个年轻人大脑的BigBrain器官图,以便捕捉潜在的性别和发育差异。

由于第一幅完整的图已经出炉,马兹奥塔预测接下来的工作将变得更容易、更快,这将使研究人员在分子水平上观察大脑与疾病(如自闭症)的关系成为可能。“最终我们会用同样的方法来构建各种人群的大脑图。”他信心满满地说。

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  2015-09-11  5518 0
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