Eric Betzig没有想到这个实验会成功。
高瑞轩(Ruixuan Gao)和浅野正孝(Shoh Asano)这两位科学家想用他的团队的显微镜对大脑样本进行放大，使之达到平常的四倍——像气球一样膨胀。这两人是霍华德休斯医学研究所(HHMI)研究员埃德博伊登(Ed Boyden)在麻省理工学院(MIT)实验室的成员。他们利用化学技术把小样本放大，这样科学家就能更容易地看到分子的细节。
他们的技术被称为扩张显微镜，在传统光学显微镜下拍摄的单细胞或薄组织切片上效果很好，但是Boyden的团队想要拍摄更大的组织块。他们想要看到跨越数毫米甚至更多的完整神经回路。科学家们需要一种高速、高分辨率、相对温和的显微镜，这种显微镜在完成成像之前不会破坏样本。
于是，他们求助于Betzig。他的团队在HHMI的Janelia研究校园使用他们的点阵光学显微镜，以3-D的方式对敏感的活细胞的快速亚细胞动力学进行成像。将这两种显微技术结合起来，有可能提供大面积脑组织的快速、详细图像。
“我以为他们全是这样，”贝琪回忆道。“这个想法听起来确实有点粗糙，”高说。“我们在拉伸组织。”但是Betzig邀请了Gao和浅野来尝试点阵范围。
“我本来要给他们看的，”贝琪笑着说。相反，他被吹走了。“我无法相信我看到的数据的质量。你可以用一根羽毛把我打倒。”
现在，他和他的Janelia同事与Boyden的小组合作，对果蝇的整个大脑和老鼠大脑皮层厚度的部分进行成像。他们的组合方法提供了高分辨率和可视化任何想要的蛋白质的能力——而且速度也很快。Boyden, Betzig和他们的同事于2018年1月17日在《科学》杂志上发表报告称，相比于使用电子显微镜观察苍蝇的大脑，用多种颜色对其进行成像只需要62.5小时。
“我能看到我们每天至少成像10个苍蝇的大脑，”Betzig说，他现在是加州大学伯克利分校HHMI研究人员。他说，这样的速度和分辨率将让科学家们提出新的问题，比如雄性和雌性的大脑是如何不同的，或者同种果蝇的大脑回路是如何变化的。
博伊登的研究小组梦想绘制一张大脑地图，其精细程度可以在电脑上模拟。“我们在成像性能上已经跨过了一个门槛，”他说。“这就是我们如此兴奋的原因。我们不仅仅是在逐步扫描更多的脑组织，我们是在扫描整个大脑。
扩大大脑
要绘制出大脑的详细地图，需要绘制出它的活动和线路图——在人类身上，800多亿个神经元中的每一个都连接着数千个神经元。这些地图可以帮助科学家发现大脑疾病的起源，建立更好的人工智能，甚至解释行为。“这就像是神经科学的圣杯，”博伊登说。
几年前，他的研究小组有了一个想法，想弄清楚所有东西是如何组织起来的:如果他们真的能让大脑变得更大——大到可以看到里面，那该怎么办?通过向样本中注入可膨胀的凝胶——就像婴儿尿布里的东西一样——研究小组发明了一种扩大组织的方法，使组织内的分子不那么拥挤，在显微镜下更容易看到。分子锁在凝胶支架中，即使膨胀后仍保持相同的相对位置。
但要拍摄大量组织的图像并不容易。标本越厚，只照亮你想看的部分就越困难。把太多的光照射在样本上可以使其光漂白，烧毁科学家用来照亮细胞的荧光“灯泡”。
高说，将样本扩大4倍就能使其体积增加64倍，因此成像速度也变得至关重要。“我们需要的是一种快速的、不需要太多光漂白的东西，而且我们知道珍尼莉亚有一架非常棒的显微镜。”
点阵薄片显微镜将一片超薄的光扫过标本，只照亮显微镜聚焦平面上的那一部分。这有助于失焦区域保持黑暗，防止标本的荧光被熄灭。
当高和浅野第一次在格子镜下测试他们的老鼠组织膨胀时，他们看到神经元的分支上有一簇发光的突起。这些被称为树突刺的小突起通常看起来像蘑菇，球状的头部长在细颈上，很难测量。但是，浅野说，科学家们甚至可以看到“尽可能小的脖子”，同时成像附近的突触蛋白。
“这是令人难以置信的印象深刻，”Betzig说。团队确信他们应该进一步探索这种组合技术。“从那以后，我们一直在这么做，”他说。
大脑和其他
在过去的两年里，高和浅野花了几个月的时间在Janelia工作，他们与生物学家、显微镜学家、物理学家和计算机科学家一起在校园里捕捉和分析图像。“这就像是复仇级的合作，”高说，他指的是漫画书中的超级英雄团队。
Yoshinori Aso和FlyLight团队提供了高质量的果蝇大脑样本，Gao和浅野对样本进行了扩展，在每个大脑中收集了大约5万块数据，形成了一种3d拼图。这些图像需要复杂的计算机缝合，才能把碎片拼在一起，这项工作由斯蒂芬·萨尔菲尔德(Stephan Saalfeld)和伊戈尔·皮萨列夫(Igor Pisarev)领导。“斯蒂芬和伊戈尔拯救了我们，”贝茨格说。“他们处理了图像处理的所有可怕的小细节，并让它在每个数tb的数据集上工作。”
接下来，来自哈佛医学院(Harvard Medical School)的Srigokul Upadhyayula是这份报告的共同第一作者，他分析了总共200兆兆字节的数据，制作了令人惊叹的电影，生动地展示了大脑的错综复杂。他和他的合作者们研究了1500多根树突状棘，成像了隔绝老鼠神经细胞的脂肪鞘，突出显示了所有的多巴胺能神经元，并计算了整个果蝇大脑的所有突触。
Boyden团队扩展技术的细微差别使得它非常适合于晶格范围;该技术产生几乎透明的样品。对于显微镜来说，这几乎就像在水中观察，而不是在分子黏液的混浊海洋中。“结果是，与早期的显微技术相比，我们在非常大的体积上以极快的速度获得了晶莹剔透的图像，”博伊登说。
然而,挑战仍然存在。Betzig说，就像任何一种超高分辨率的荧光显微镜一样，用足够多的荧光灯泡来装饰蛋白质，使其在高分辨率下清晰可见是很困难的。由于膨胀显微镜需要许多处理步骤，所以仍然有可能引入伪影。正因为如此，他说:“我们非常努力地去验证我们所做的事情，其他人也应该这样做。”
现在，Gao和Janelia团队正在建造一种新的点阵光学显微镜，他们计划将其搬到麻省理工学院Boyden的实验室。“我们的希望是迅速绘制出整个神经系统的地图，”博伊登说。
——文章发布于2019年1月17日
