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怎样才能看清大脑?

   时间:2013-11-16 00:00:00     浏览:739151    评论:0    
核心提示:  2013年4月,美国总统贝拉克奥巴马宣布美国将进行继人类基因组计划之后另一个宏伟的科学研究计划--人脑研究计划。同年9月中旬,美国国立卫生研究院又公布了脑计划9个获得美国国会拨款的具体项目,包括:统计大脑细胞类型、建立大脑结构图、开发大规模神经网络记录技术、开发操作神经回路的工具、了解神经细胞与个体行为之

  2013年4月,美国总统贝拉克·奥巴马宣布美国将进行继人类基因组计划之后另一个宏伟的科学研究计划--人脑研究计划。同年9月中旬,美国国立卫生研究院又公布了脑计划9个获得美国国会拨款的具体项目,包括:统计大脑细胞类型、建立大脑结构图、开发大规模神经网络记录技术、开发操作神经回路的工具、了解神经细胞与个体行为之间的联系、把神经科学实验与理论、模型、统计学等整合、描述人类大脑成像技术的机制、为科学研究建立收集人类数据的机制和知识传播与培训。

  过去的研究对脑计划的启示

  美国国会批准2014年财政年为脑计划拨款1.1亿美元,其中4000万美元将由美国国立卫生研究院分配。研究资金到手,研究人员要考虑的中心问题是如何才能在大脑研究中取得进展。其中一个最重要的问题是,研究人员通过什么方法才能看到大脑,从而揭示大脑的秘密。

  其实,过去的一些技术和研究为人们看见大脑和大脑中的细微结构提供了一些借鉴。借鉴之一是核磁共振成像,这是可以观察人们活体大脑活动的一种技术。核磁共振成像是一种生物磁自旋成像技术,核磁共振成像的“核”指的是氢原子核,因为人体约70%是由水组成的。核磁共振成像就是利用人体中遍布全身的氢原子在外加的强磁场内受到射频脉冲激发,产生核磁共振现象,再用探测器检测并接受以电磁形式放出的核磁共振信号,输入计算机,经过数据处理转换,最后将人体各组织的形态转换成图像。

  核磁共振成像产生的图像不仅可以让人看到大脑内的血肿、肿瘤、动静脉血管畸形、脑缺血、脊髓空洞症和脊髓积水等颅脑常见疾病,同时还能让人看到大脑某一部位的血流情况,从而判断大脑皮质的某一功能区活动是否显著,再从大脑功能区的活动是否显著判断大脑的实时功能。但是,这些图像并非像生活中人们用高清相机拍摄的图片那么清楚,所以从严格意义上看,采用核磁共振成像并不能十分清楚地看到大脑。

  另一个能看清生物体内部组织结构的技术是X射线,它是波长非常短的电磁波,可以用来透视人体,例如X射线拍片能看到肺部是否有感染或是否患肺结核。X射线也可以用来分析晶体的结构。当X射线穿过晶体之后,会形成衍射图样,这是一种特定的明暗交替的图形。不同的晶体产生不同的衍射图样,仔细分析这种图形就能知道组成晶体的原子是如何排列的。比如,1966年的诺贝尔化学奖是颁发给碳60的发现,而对碳60的发现也是在1991年美国加州大学一个有机化学实验室的研究人员用X射线衍射拍到了碳60的32个晶面而证实的,碳60的X射线衍射图显示,碳60相当于老式足球球面的20个六边形和12个五边形,从而证明了碳60结构。

  低温电子显微镜技术有待发展

  尽管X射线可以观察人体内部以及X射线衍射可以观察生物晶体分子,但用以观察人脑效果却很有限,因为X射线对人有辐射,会造成伤害,同时图像也并非很清晰。所以,现在另一种技术进入科学家的视野,这就是低温电子显微镜技术。

  低温电子显微镜技术是一种可以帮助研究人员对诸如病毒表面极其微小的分子和颗粒进行成像的先进技术。这一技术的特点之一是可以显示出在液氮温度下快速冻结的单个蛋白分子。同时,利用三维计算机技术对图像进行叠加处理,可以清楚地看到病毒表面或内部的结构。因此,利用这种技术拍摄的图片不仅让人可以看见死亡的生物体内部的结构和分子,也能对活体生物拍照进行观察。例如,艾滋病病毒的包膜蛋白具有多变性,也使研制疫苗和药物非常困难,但是,如果能拍摄到HIV包膜蛋白上的分子是如何变化的,就可以了解HIV的变化,为研发疫苗提供线索。

  现在,美国波士顿达纳法伯癌症研究所的约瑟夫·索德劳斯基等人已经用低温电子显微镜拍摄到了HIV包膜蛋白图像。他们发表了拍摄到的HIV表面两种蛋白的极微小的视图,这两种蛋白彼此连接,而且三个一起成团出现,因而被称为三聚体。

  不过,对于这一结果,学术界还存有种种质疑。

  由于存在争议,利用低温电子显微镜技术拍摄微生物和人脑内部结构的设想也许要等待更长的时间才能实现。

  清晰技术能看清大脑

  不过,现在一种新的清晰技术已经能让小鼠的大脑清晰可见,这也为看清人脑提供了可行的方法。

  清晰技术包含多种方法和手段,一是用水凝胶和丙烯酰胺来替代脂质,二是使用荧光染色,三是采用电镜技术。利用清晰技术能将小鼠的大脑制成3D透明的大脑,让研究人员能清楚地观察到大脑中的神经细胞,甚至分子结构。这项技术最近由美国斯坦福大学卡尔·迪赛诺思团队研发。

  无论是活体大脑还是死亡的大脑里面都有脂质,当用显微镜观察大脑时,光线透过脂质就像阳光照射在油面上一样会产生七色光彩,脂质分子会把光线分散到各个方向,导致显微镜难以显示大脑内部数百微米以下的细微结构。同时,脂质也排斥很多物质,比如抗体,因此需要对大脑进行切片才能标记一些特殊类型的细胞,这也让脑计划中一项重要研究--统计大脑细胞类型变得比较困难。

  清晰技术首先是清洗大脑中的脂质,但是又不能完全去除脂质,因为去除了脂质大脑中的所有物质就会分散。所以,研究人员对死亡的小鼠大脑中注射水凝胶和一种大分子丙烯酰胺来代替脂质,然后对水凝胶溶液稍微加热。在差不多达到人的体温时,水凝胶开始凝聚为长分子链,在大脑中形成高分子网络。这一网络能够支持大脑中的所有结构,但不会结合脂质。随后,研究人员利用电流和洗涤剂将大脑中的脂质分离和冲洗出来,最后获得完整透明的3D大脑,大脑中的神经元、轴突、树突、突触、蛋白、核酸等都完好保持在原位。

  此后,研究人员再用荧光抗体处理小鼠大脑,使荧光抗体与大脑中特异性的目标,如轴突、各种神经递质、核酸等结合并发光,这就让人能清楚看到大脑中的各类物质和分子。研

  究人员还可以去除已染色的荧光抗体,并用其他抗体进行重新染色,以便在同一个大脑中研究不同的分子目标,而且这种染色/褪色过程可以重复多次。在这一过程中还可通过电镜揭示大脑内部的精细结构,例如突触。

  因此,利用清晰技术制成的小鼠3D大脑不仅可以让人们追溯神经回路,解析局部回路的细微差异,观察细胞间的联系和分析亚细胞结构,还可以探寻蛋白复合体、核酸和神经递质之间的化学关联。

  当然,在清晰技术发明之前,也可以用数字技术来制作大脑的3D成像,但是非常耗时和繁复。首先需要将大脑的组织切成数百个甚至数千个薄片,然后详细扫描每个薄片的影像并输入计算机,再精心调整各部分的位置。遇到精微的部分,如神经细胞的接触点--轴突,则更加费时,因为一个轴突大约相当于人的头发直径的1/100。在制作时不仅耗费大量的计算机操作时间,还容易产生明显误差。

  现在,清晰技术制作的3D透明大脑不仅时间快,而且准确,还能让人们清晰地看见大脑中的结构和分子。例如,人们可以一眼看到用不同标记物标记的大脑中的每一个分子,而且对特定大脑区域中的神经元进行计数也会加快数百倍。

  迪赛诺思研究团队目前不仅能制作小鼠的3D透明大脑,而且也把一名已死亡的自闭症患者的大脑部分区域制作成了3D透明大脑。用这种方法同样可以对保存在福尔马林中的大脑制作3D透明大脑。

  不过,一些研究人员也对清晰技术提出了一些质疑。研究人员承认,清晰技术可以用来观察人的整个大脑,但是却需要制造一个非常大的显微镜镜头来摄影。迪赛诺思承认,他们目前还不能到达这个水平。现有的显微镜仅仅可以同时观察6~8毫米直径的大脑组织,这大概是一个完整的成年小鼠大脑。不过,这也可以较为深入和全面地观察人脑了,因为人类大脑皮质的核心单元大约就是这么大。

  奥地利维也纳科技大学的神经影像专家汉斯·乌里奇·多德特认为清晰技术是一个巨大的进步,但是该技术可能存在危险,并且比较昂贵。因为丙烯酰胺有剧毒和致癌性,所以只能用以观察死亡的大脑,而不能用于观察活体大脑。而要观察活体大脑,则需要找到新的不致癌的物质和易于应用的技术。

  当然,随着清晰技术的进一步改进和完善,制作死亡者的3D透明大脑将不会是难题,甚至在未来还可以建立起活体的3D透明大脑。当大脑能被清楚地看见时,研究大脑就会变得更为容易,解开大脑的秘密也会水到渠成。

  【责任编辑】张田勘

  ■向阳

 
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