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NatMethod中外学者发布神经网络重

2018-11-30 19:23:28

Nat Method:中外学者发布神经络重建新技术

生物通报道 近日来自美国霍华德 休斯医学研究所、韩国科学技术院及浙江大学等机构的研究人员展开合作,开发了一种称为mGRASP的新技术,实现了光学显微镜下快速准确重建哺乳动物大脑神经络,为了解大脑功能打开了新的篇章。相关研究成果于12月4日发表在《自然方法》(Nature Methods)杂志上。

来自美国霍华德 休斯医学研究所的Jeffrey C Magee博士和韩国科学技术院的Jinhyun Kim博士为这篇文章的共同通讯作者。来自浙江大学求是高等研究员的赵挺副教授与Jinhyun Kim博士为这篇文章的共同作者。

大脑是由无数神经元组成的信息计算和传导络,要了解大脑的运行机制,我们必须了解大脑中的基本计算单位—神经元—是如何相互连接的。神经元之间的连接部位称为“突触”。自上世纪以来,虽然神经科学家发明了各种技术对突触进行定位,以确定神经元之间的连接,但神经络重建仍是一项非常耗时和耗人力的工作,因为目前的技术要借助于复杂的电子显微成像才能对突触进行准确定位。比如线虫总共只有302个神经元,但用电子显微镜重建其整个神经络却花了10年以上的时间,而人类大脑有多达1000亿个神经元!因此快速的神经络重建方法一直是神经科学家梦寐以求的技术。

2008年,来自斯坦福大学的华人科学家沈康(Kang shen)和美国洛克菲勒大学的Cornelia I. Bargmann联合开发了一种称为GRASP(green fluorescent protein reconstitution across synaptic partners)的新技术,可实现对活体神经系统中的突触定位。相关研究成果发表在了当年的《Neuron》杂志上。

GRASP技术巧妙地利用了绿色荧光蛋白(GFP)标记技术。GFP是一种在水母中发现的特殊蛋白,吸收蓝光后会发出绿色荧光。GRASP技术将GFP的基因序列分割为两部分,即将GFP拆成两个组件,分离后的组件不具发光功能。沈康等通过在两组神经元中分别表达GFP的两个组件的方法,来检测神经元间的距离,是否形成了突触连接。当两组神经元形成连接时,GFP的两个组件在突触部位会自动组合形成完整的具有正常功能的GFP。GFP受蓝色激光照射后,会产生绿色荧光,是原本透明的突触结构在黑暗的显微镜视场中清晰地显示出来。如果两组神经元相距很远,则不会产生荧光。GRASP技术具有快速、准确、高空间分辨率等特点,被广泛应用于线虫和果蝇研究中,但用于哺乳动物大脑检测还受到一定的限制。

在新文章中,研究人员对携带GFP组件的载体进行了改造,开发出了哺乳动物GRASP(mGRASP)技术。通过这一新技术,研究人员实现了小鼠大脑中神经元突触的定位。此外,研究人员还将生物、化学技术与计算机生物图像信息学技术相整合,开发了一套完整的定量分析系统,利用这一系统可自动将多个视场下的显微镜图像拼接成包含完整神经元的三维图像,然后将图像中神经元的形态及其突触提取出来,转化为易于分析的数字模型,从而使高通量的神经络重建成为可能。

研究人员估计,有了这样的技术,可以使原需几十年的神经络重建工作在几个星期内完成。另外,该技术还可应用于疾病机制的研究,比如自闭症和帕金森病等神经疾病可能与神经元连接异常相关,通过mGRASP可以观察这些疾病下神经络发生了怎样的变化,从而推断其病理机制。

(生物通:何嫱)

延伸阅读:Science重大突破:新技术解开RNA世界的奥秘

生物通推荐原文摘要:

mGRASP enables mapping mammalian synaptic connectivity with light microscopy

The GFP reconstitution across synaptic partners (GRASP) technique, based on functional complementation between two nonfluorescent GFP fragments, can be used to detect the location of synapses quickly, accurately and with high spatial resolution. The method has been previously applied in the nematode and the fruit fly but requires substantial modification for use in the mammalian brain. We developed mammalian GRASP (mGRASP) by optimizing transmembrane split-GFP carrier for mammalian synapses. Using in silico protein design, we engineered chimeric synaptic mGRASP fragments that were efficiently delivered to synaptic locations and reconstituted GFP fluorescence in vivo. Furthermore, by integrating molecular and cellular approaches with a computational strategy for the three-dimensional reconstruction of neurons, we applied mGRASP to both long-range circuits and local microcircuits in the mouse hippocampus and thalamocortical regions, analyzing synaptic distribution in single neurons and in dendritic compartments.

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