高精度人體大腦三維圖問世

周箴緯

2013年6月20日，據(jù)美國科學(xué)新聞報道，經(jīng)過十年的艱苦研究，科學(xué)家終于把一位女性遺體捐贈者的大腦通過加工、制作和研究，完成了第一個揭示了人腦微觀細(xì)節(jié)的三維數(shù)字圖集，它就是BigBrain。當(dāng)然，我們永遠(yuǎn)不會知道遺體捐贈者的名字以及她生前是做什么的。我們知道的僅僅是她的死亡年齡是65歲，以及她生前沒有患過已知的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

7400片大腦切片

一個多世紀(jì)以來，神經(jīng)科學(xué)家們早已在很大程度上依賴于在1900年代早期完成的二維的大腦解剖圖來進(jìn)行研究工作。本篇論文的第一作者、德國于利希研究中心的神經(jīng)解剖學(xué)家卡特倫·阿穆茲說，雖然原來的一些數(shù)字化的三維模型可以派點用場，但是如果要在神經(jīng)水平上顯示腦組織，它們就顯得無能為力了。在美國馬里蘭州的貝塞斯達(dá)國家衛(wèi)生研究院工作的神經(jīng)影像學(xué)專家約瑟·馬斯德烏則認(rèn)為，在以前的圖書館幾乎沒有可用的器官圖集，因為他在尋找有關(guān)資料的時候，常常得到這樣的回答：“你需要的書是不存在的?！?/p>

解剖大腦，然后用數(shù)字化重新構(gòu)建人類大腦是一個長期而艱巨的過程。在最近的幾十年里，神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家的興趣已經(jīng)從經(jīng)典解剖轉(zhuǎn)移到生理學(xué)的研究上來了。阿穆茲說，只有少數(shù)實驗室有專業(yè)技術(shù)和工具，可以用掃描和數(shù)字化的方法制作細(xì)如發(fā)絲的、在細(xì)胞水平上顯示細(xì)部的大腦切片組織。粗糙的厚片意味著相對于真實的組織來說，缺少細(xì)節(jié)并存在更多的空白。

因此，早在2003年，阿穆茲和他的同事們就開始了人體大腦器官三維圖集的準(zhǔn)備工作。研究人員選擇了一位65歲女性捐贈者的大腦作為器官圖集的基礎(chǔ)，因為這位女性沒有任何明顯的退行性疾病或其他損害。研究人員把大腦置放在福爾馬林——一種化學(xué)防腐劑里保存起來，再把它用蠟封起來幾個月。然后，研究人員開始用一種叫做“超薄切片機”的刀片來切割腦組織，就好像用熟食切片機切火雞雞胸一樣。他們必須非常小心，在整個過程中大腦薄片不能從傳輸帶上掉落。

接下來，研究人員把每個薄片放在顯微鏡下觀察，再把細(xì)胞染色，使它們的神經(jīng)元細(xì)胞清晰可見，然后進(jìn)行掃描?？偟膩碚f，這項工作花了近1000小時的連續(xù)勞動，用于準(zhǔn)備和掃描每個腦切片。研究人員總共獲得超過7400片腦切片。在科學(xué)節(jié)目里，他們在線發(fā)表這些成果，甚至午休時間都不中斷。

在處理脆弱的薄片時，研究人員表現(xiàn)了最大限度的耐心，避免使其發(fā)生扭曲，特別是當(dāng)大腦組織切片在保存和切割的時候，要避免發(fā)生撕裂。盡管如此小心，該論文作者、加拿大蒙特利爾麥吉爾大學(xué)的神經(jīng)影像學(xué)專家艾倫·埃文斯說，仍有部分薄片產(chǎn)生了扭曲。他還說，自己的工作就是把大腦重新構(gòu)建成一個連貫的整體。他認(rèn)為要改變錯位的掃描，使它回到正確的位置上，應(yīng)該使用糾正軟件，而不是用手工操作。對儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，需要使用分布在加拿大的高性能計算網(wǎng)格。

高出50倍的分辨率

人體大腦三維圖集以比原先的方法高出50倍的空間分辨率，顯示單個神經(jīng)元和它們之間的聯(lián)系，并且以前所未有的精度顯示了一個完整的大腦模型?！癇igBrain所起的作用，是讓我們知道了分布在某個空間里的幾乎所有的神經(jīng)元?！?馬斯德烏說，這可以看作歐洲的人類大腦計劃的一項重要成果。歐洲的人類大腦計劃計劃擬耗資10億歐元，要在下一個十年內(nèi)完成人類大腦功能的計算機模型。這個項目完成后，用戶可以免費通過稱為CBRAIN的web門戶進(jìn)入。研究人員只要通過簡單的鼠標(biāo)點擊，便可以獲取鮮活的大腦綜合數(shù)據(jù)，例如大腦活動掃描，達(dá)到細(xì)胞分子水平的精細(xì)的解剖信息。

當(dāng)然，人體大腦三維圖集的方法并不是完美的，除了切片過程會導(dǎo)入錯誤，它不能顯示出個體之間存在的差異。加州大學(xué)洛杉磯分校的神經(jīng)學(xué)家約翰·馬茲奧塔指出，有一個解決方案，就是把人體大腦三維圖集與來源于大量的分辨率較低的腦部掃描顯示的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，以顯示不同的大腦結(jié)構(gòu)在哪里存在差異。

有一個使腦組織透明的新方法叫做“CLARITY”，是將來腦成像研究的突破口。采用這種方法，研究人員就無須切割大腦組織了。不過馬茲奧塔說，目前這種方法僅能應(yīng)用于體積較小的生體組織，如小鼠的大腦。

在接下來的工作中，阿穆茲想創(chuàng)建一個男性和一個年輕人大腦的BigBrain器官圖，以便捕捉潛在的性別和發(fā)育差異。

由于第一幅完整的圖已經(jīng)出爐，馬茲奧塔預(yù)測接下來的工作將變得更容易、更快，這將使研究人員在分子水平上觀察大腦與疾病（如自閉癥）的關(guān)系成為可能。“最終我們會用同樣的方法來構(gòu)建各種人群的大腦圖?！彼判臐M滿地說。

（作者單位：上海大學(xué)化學(xué)系）