飞越“脑虹”


  四年前,哈佛科学家发明了一种被称为“脑虹”的神经图谱技术,可以使老鼠神经元显现出惊人的颜色数组。这种技术使科学家不可思议般轻易地穿过大脑,追踪神经元延伸的长臂,即树突和轴突,呈现出神经元连接图谱。

  采用一种设计巧妙的遗传工程技术,研究者将三个甚至更多不同的荧光蛋白基因组合到一起,以产生不同的颜色,如同绘画一样。研究者利用这项技术创造了一种发光系统,使每一个神经元发出100种不同颜色其中的一种。结果显示,以往难以与相邻神经元区分开的单个神经元的树突和轴突,可以依据它们的不同颜色在老鼠的大脑中被追溯出来。

  目前,果蝇研究者也获得了一个类似的天赐良机。前不久,为了使果蝇神经元发出自定义颜色而发明的两种基于“脑虹”的方法——被称为删除式脑虹图谱技术(dBrainbow)和插入式脑虹图谱技术(Flybow)——被发表在《自然方法学》(Nature Methods)期刊上。这是科学家首次将脑虹技术改进后用于果蝇研究,同时,由于这些生物已有十分精密的一套遗传信息工具,因而研究者可以更有效的控制荧光蛋白在何时何地进行表达。

  轴突和树突都非常的纤长,因此很难确定他们来自哪个神经元。传统上,研究者只能通过染色的方法,在每个样本中染出一个或两个神经元,然后煞费苦心的编排来自于大脑的很多数据,以建立神经图谱。相比之下,利用删除式脑虹技术,可以轻易区分果蝇大脑剖面的很多神经元。茱莉·H·辛普森(Julie H. Simpson)及其霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)下属简妮莉亚农场(Janelia Farm)的同事们,利用删除式脑虹图谱技术,可以指出哪一个动力神经元控制着苍蝇用来取食的长喙的一部分。

  两种技术都缩减了最初脑虹图谱技术中颜色的选取数量——删除式脑虹图谱技术选择了6种色彩;由爱丽丝·塞勒克(Iris Salecker)及其伦敦国家医学研究所(National Institute for Medical Research in London)的同事们开发的插入式脑虹图谱技术,选择了4种。颜色缩减使得该技术可以轻易的区分神经元。

  在删除式脑虹图谱技术中,颜色表明在生长过程中哪些神经元是来自同一母细胞:每一个母细胞“决定”自身显示哪种颜色,而其所有的子细胞将共享这种颜色,更便于研究不同世系的神经元细胞之间的联系是如何形成的。在此果蝇大脑拍摄图谱中,因母细胞的不同,从而导致蓝色嗅觉神经元位于右脑,红色嗅觉神经元位于左脑。

  相比之下,插入式脑虹图谱技术能够使细胞在生长的任何时刻“决定”自身的颜色,因为导致它们改变颜色的酶解过程是由反应热激发的。细胞经过处理使它们的默认颜色为绿色。细胞被加热的时间越长,越多的细胞颜色将从绿色转变为蓝色、黄色或者红色。在生长早期产生的热量,产生了一种类似删除式脑虹图谱技术的效果,而后期产生的热量导致每一个细胞发出的颜色各异。这时,成年果蝇的视觉系统显示的单个神经元为四种颜色。

  利用现有的遗传学技术,科学家可以将删除式脑虹技术和插入式脑虹技术基因的活性限制到特定细胞子集内,因此,仅与研究相关的神经元是可见的。在此删除式脑虹技术产生的图像中,一组被认为是构成雄性求爱行为基础的约2000个已被高度研究的神经元细胞,按照不同亚种群着色。

  在一项常规研究中,发育中果蝇的神经索影像中的红色,黄色和蓝色神经元细胞永远不会同时看到,而是像智力拼图玩具中的方块,散布贯穿很多样品中。留下科学家们去想象在成熟的果蝇中,他们将会是什么样子的。

  “同时,可以真实地看到他们事实上是彼此相邻的,”塞勒克说。“连同它们相邻的神经元一起,观察它们的真实原貌——该技术产生了显著的改观。”