新的高分辨率技术可以允许研究人员映射脑电路

通过两次扩张脑组织，麻省理工学院科学家能够在海马中获得高分辨率的神经元图像。

来自麻省理工学院的一群科学家制定了一种方法，以便以先前技术的成本的一小部分制定极高分辨率的组织样品图像。

通过在用传统光学显微镜进行成像之前扩展组织，研究人员能够获得高分辨率图像。两年前，麻省理工学院团队表明，可以扩展100倍的组织体积，导致约60纳米的图像分辨率。现在，科学家们已经表明，在成像前第二次扩展组织可以将分辨率提升至约25纳米。

这种分辨率允许研究人员参考，例如，群体以脑突触的复杂模式聚集在一起，帮助神经元彼此沟通。Ed Boyden表示，它也可以帮助他们地图神经电路，是麻省理工学院的生物工程和大脑和认知科学副教授。

“我们希望能够追踪完整的大脑电路的接线，”该研究的高级作者Boyden说。“如果您可以重建完整的大脑电路，也许您可​​以制定如何产生复杂现象的计算模型，如决策和情绪。由于您可以映射在细胞内产生电脉冲的生物分子并在细胞之间交换化学物质，您可能会模拟大脑的动态。“

这种方法也可以用于图像图像，例如癌细胞和免疫细胞之间的相互作用，以检测没有昂贵设备的病原体，并映射体的细胞类型。

前MIT Postdoc Jae-Byum Chang是本文的第一个作者，它出现在自然方法中。

双重扩展

科学家们将组织样品嵌入致密，均匀地产生的聚丙烯酸酯制成的凝胶中以膨胀它们。在形成凝胶之前，使用与特定靶标结合的抗体，科学家们标记他们想要图像的细胞蛋白。这些抗体承受由DNA制成的“条形码”，其又附着在与构成可膨胀凝胶的聚合物结合的交联分子。然后，科学家们分解了通常将组织保持在一起的蛋白质，允许DNA条形码随着凝胶溶胀而彼此膨胀。

然后可以用结合DNA条形码的荧光探针标记这些放大样品，并与市售的共聚焦显微镜成像，其分辨率通常限于数百纳米。

使用该方法，研究人员以前能够实现约60纳米的分辨率。然而，“近距离的生物分子远小于那个，比如5纳米甚至更小，”Boyden说。“扩展显微镜的原始版本对于许多科学问题非常有用，但不能等于最高分辨率成像方法的性能，例如电子显微镜。”

在原始扩展显微镜研究中，科学家发现，通过减少保持聚合物的交联分子的数量，它们可以通过减少序列的图案来扩展超过100倍的组织。然而，这使得组织不稳定。

“如果减少交联剂密度，聚合物在扩展过程中不再保留其组织，”Boyden说，他是麻省理工学院的媒体实验室和麦戈尔恩大脑研究所的成员。“你失去了信息。”

相反，在他们最新的研究中，它们改进了它们的技术，使其在第一个组织膨胀后，它们可以在第二次膨胀组织的新凝胶 - 一种他们称之为“迭代扩张”的方法。

映射电路

使用迭代扩张，科学家能够通过大约25纳米的分辨率进行图像组织，其类似于通过高分辨率技术（例如随机光学重建显微镜（Storm）而实现的组织。然而，展开显微镜比表现要更便宜，更简单，因为没有必需的专门设备或化学品，Boyden说。该方法也更快，因此与大规模3D成像兼容。

膨胀显微镜的分辨率尚不匹配扫描电子显微镜（约5纳米）或透射电子显微镜（约1纳米）。然而，电子显微镜非常昂贵并且没有广泛可用，并且随着这些显微镜，研究人员难以标记特定蛋白质。

在新的研究中，麻省理工学院团队使用迭代扩展到图像突触 - 神经元之间的连接允许它们彼此通信。在原始扩展显微镜研究中，研究人员能够进行成像脚手架蛋白，这有助于组织突触中发现的数百种蛋白质。通过新的，增强的分辨率，研究人员还能够看到更精细的结构结构，例如位于突触接收侧的“突触后”细胞的表面上的神经递质受体的位置。

“我的希望是，在未来几年，我们可以在未来几年开始映射在突触在突触中的这些脚手架和信号传导蛋白的组织，”Boyden说。

将展开显微镜与一个名为时间复用的新工具相结合，应该有助于实现这一目标。目前，只有有限数量的彩色探针可用于在组织样品中以不同的分子图像。随着时间复用，研究人员可以用荧光探针标记一个分子，拍摄图像，然后将探针送走。然后，每次使用相同的颜色来标记不同分子，这可以重复多次。

“通过将迭代扩展与时间复用相结合，我们原则上可以在大型3D卷上基本上具有无限的纳米级分辨率成像，”Boyden说。“现在这些不同的技术可能很快互相联系，事情变得非常令人兴奋。”

研究人员还希望实现第三轮扩张，他们认为原则上可能能够分离约5纳米。然而，现在该分辨率受到用于标记细胞中分子的抗体的大小的限制。这些抗体长约10-20纳米，因此获得以下分辨率，研究人员需要创建较小的标签或首先将蛋白质膨胀远离蛋白质，然后在膨胀后递送抗体。

出版物：Jae-Byum chang，等人，“迭代扩张显微镜，”自然方法（2017）; DOI：10.1038 / nmeth.4261