新成像技术将阿尔茨海默氏症大脑的各个层面的变化同时成像

研究人员将不再需要选择，是将单个人脑作为零碎图像的拼接来研究，还是从遥远的、像素化的大结构视角进行研究。

相反，一个美国团队开发的新成像平台将脑细胞的细节、它们的连接和内容与整个神经元网络的全脑图谱无缝地结合在一起，构成了大脑的整体结构。

大脑生物学的这些元素存在于非常不同的尺度上，从纳米大小的突触间隙到厘米长的大脑区域，到目前为止，这需要来自多个大脑的多个样本，使用不同的技术在不同的平台上进行分析。

该平台首次用于人体组织，对两个完整的大脑进行成像，揭示了一名阿尔茨海默病患者大脑的明显变化。

据麻省理工学院（MIT）化学工程师钟光勋（音译）领导的研究团队介绍，这个新平台包括三个核心要素，以“前所未有的分辨率和速度”对脑组织进行切片、处理和成像。

首先，一种创新的设备将脑组织切片。它使用精心调整的振动来避免磨损，将细胞分离成令人难以置信的薄片，而不会使它们的连接脱臼。

然后，一种化学技术将这些组织切片可逆地转化为一种有弹性的、可扩展的组织水凝胶，这种水凝胶适合用于抗体标记和蛋白质和其他内部物质的高分辨率成像。

最后，一个计算工具将切片的组织“缝合”在一起，并绘制单个细胞之间的连接图。这些单个脑细胞的“投影组”可以与捕获每个细胞中表达的分子的图谱相结合。

“我们需要能够看到所有这些不同的功能成分 —— 细胞，它们的形态和连接，亚细胞结构，以及它们的个体突触连接 —— 理想情况下是在同一个大脑中，以便能够比较整个大脑并发现个体差异，”钟光勋说。

“这项技术确实使我们能够以完全集成的方式，从同一个大脑中提取所有这些重要特征。”

这种由组织转化而成的水凝胶会轻轻地使组织切片膨胀，这样就能清晰地成像；一个泵稳定地向组织注入荧光染料，在整个器官中产生一致的染色。

在令人眼花缭乱的平台成像能力展示中，研究人员提供了一些例子，他们标记了整个大脑半球，然后放大拍摄细胞回路的快照，然后是单个细胞和它们在称为突触的连接之间的连接。

至于该平台如何在多个组织切片之间重建这些连接，计算机工具有一种算法，可以匹配从一层进入相邻层的血管，并跟踪相邻神经元的延伸，称为轴突。

把所有这些放在一起，研究人员对两个慷慨的捐赠者的整个大脑进行了成像，其中一个患有阿尔茨海默病，另一个没有。

他们发现了阿尔茨海默氏症的常见病理特征，包括淀粉样斑块和tau蛋白缠结的积累，以及脑细胞的萎缩，但他们的成像也捕捉到了一些细微的差异。

阿尔茨海默病患者的脑细胞轴突肿胀。富含tau蛋白和淀粉样蛋白的区域的脑细胞也失去了髓鞘的保护，并从邻近的区域撤退。

研究小组在他们的论文中写道，这“支持了神经影像学研究，表明阿尔茨海默病晚期眼窝前额皮质的连通性受到严重损害”。

然而，这幅图只代表了两个大脑的一个快照。

科学家们最近制作了一些非常详细的人类大脑图像，放大了一立方毫米的脑组织，这是一项长达十年的努力，最终产生了1.4 PB的数据。

在阿尔茨海默氏症等疾病中，大脑在缓慢退化过程中是如何变化的，对其进行成像是一项比较困难的任务，因为研究人员经常使用死后捐献的脑组织，或者依靠传统的全脑扫描（如核磁共振成像），希望在疾病发生之前发现变化。

目前还不清楚该平台如何适应快速发展的脑成像技术的进步，但该团队乐观地认为，他们的系统将有助于促进新疗法的发展，并最大限度地从有价值的供体组织中提取信息。

“这个管道让我们几乎可以无限制地接触到组织，”钟光勋说。“我们总是可以回头看看新的东西。”

这项研究发表在《科学》杂志上。

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