这项由麻省理工学院团队开发的技术流程可以创建人类大脑的整个器官高质量图像，从宏观形态级别到亚细胞组成部分。该技术实现了对大脑组织的高分辨率、高通量成像，而不会破坏组织。研究人员可以对人类大脑的半球进行细致的处理、标记和清晰成像，展现出极高的细节和速度。
研究的高级作者、麻省理工学院皮科尔学习与记忆研究所的研究员Kwanghun Chung博士表示：“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。潜在地，这项技术流程可以用于完全绘制人类大脑。”该团队在最新一期的《Science》杂志上发表了他们的研究成果，题为《人脑多尺度分子成像和表型分析的综合平台》。
通常情况下，对组织样本进行切片、染色和拍照的过程，尤其是对于像整个人脑这样的大样本，往往会破坏样本，限制了每个样本可以收集的数据。在这份新报告中，Chung的团队对人类大脑组织进行了“整体成像，在从单个突触到整个大脑半球的多个分辨率上，并且我们已经公开了这些数据，”这位高级研究员说道。
为了完成这项任务，Chung的团队成员创造了三个关键创新。首先，Ji Wang博士开发了Megatome，一种改进的振动切片仪，可以在不造成损伤的情况下精细地切割完整的人脑半球。振动切片仪在刀片运动的精度和样本稳定性方面的改进，不仅使样本在切割处保持完整，而且比类似的振动切片仪切割速度更快。这些改进使得可以更快、更精确地准备厚度较大的组织块。
虽然这些组织块在研究目的上比通常要厚，但Juhyuk Park博士开发了一种专门用于成像的水凝胶技术。该水凝胶mELAST用于切片前灌注脑样本。这些样本和切片清晰、柔韧、耐用且可扩展，保持了组织完整性，并可重复用于未来的研究。
最后，一旦完成切片成像，使用Webster Guan博士开发的计算系统UNSICE，将这些视觉数据拼接成完整的三维器官重建图像。UNSICE的算法可以正确对齐和组合样本图像，通过追踪解剖特征（如血管或轴突）将切片匹配正确而精确地拼接在一起。
Chung表示：“我们需要能够观察所有这些不同的功能组件，包括细胞、它们的形态和连接性、亚细胞结构以及它们的个体突触连接，最好是在同一个大脑中，考虑到人类大脑的高个体差异性和人类大脑样本的珍贵性。这项技术流程确实使我们能够以完全整合的方式从同一个大脑中提取所有这些重要特征。”
△该技术的成像和分析流程与丰富的标记样本图像相结合，以区分大规模脑结构(左)、回路、单个细胞和单个突触(右)。
这项技术可以让研究人员更快速、高效地检查大脑组织，并保持组织以供多个研究和额外实验使用。作为概念验证，Chung的团队与合著者Matthew Frosch博士合作，在阿尔茨海默病研究中探索了该技术的应用。
这次合作包括对两个大脑半球（一个患有阿尔茨海默病，一个对照组）进行全面的检查和比较。Chung说：“我们没有事先规划所有这些实验。我们只是开始，然后说，'好，让我们成像这个样本，看看我们能发现什么。'”他们的目标是确定他们开发的技术是否能改善对疾病大脑解剖学和显微解剖学的可视化和理解。Chung补充说：“我们发现有大量神经元丧失的脑区，所以我们继续深入研究。我们使用了许多不同的标记物来表征并观察致病因素和不同细胞类型之间的关系。”
该研究展示了这种成像技术的功能性和图像质量，以及它在比较和探索性研究中的实用性和潜力。这项技术的实用性似乎不仅限于大脑，还可以扩展到其他器官和组织。在他们的论文中，作者得出结论：“我们设想，这种可扩展的技术平台将推动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。”
参考链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh9979
编辑：王洪
排版：李丽
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