著名學(xué)者莊小威Cell發(fā)布突破性技術(shù)

日期：2015-10-12 09:34:02

來自哈佛大學(xué)的研究人員報(bào)告稱，她們采用超高分辨率成像繪制出了神經(jīng)元突觸輸入?yún)^(qū)的圖譜。這一重要的研究成果發(fā)布在10月8日的《細(xì)胞》（Cell）雜志上。

論文的通訊作者是著名的華人女科學(xué)家莊小威（Xiaowei Zhuang）。莊小威早年畢業(yè)于中國科技大學(xué)少年班，34歲時(shí)成為了哈佛大學(xué)的化學(xué)和物理雙學(xué)科正教授，是哈佛物理系和化學(xué)系少有的雙科教授。2012年莊教授當(dāng)選為美國國家科學(xué)院院士，刷新了美國科學(xué)院最年輕華人院士的紀(jì)錄。她所研發(fā)的超高分辨率技術(shù)STORM與諾獎(jiǎng)得主Eric Betzig的成果不相伯仲，卻和2014年的諾貝爾化學(xué)擦肩而過。

從單個(gè)神經(jīng)元的突觸區(qū)域到整個(gè)大腦的布線圖，在多個(gè)尺度上繪制出突觸連接，對于了解神經(jīng)回路的功能機(jī)制以及回路缺陷如何導(dǎo)致了精神疾病至關(guān)重要。繪制突觸連接圖的理想平臺應(yīng)該可以提供高分辨率的結(jié)構(gòu)信息，來可靠地識別突觸連接及準(zhǔn)確將突觸分配給神經(jīng)元；能夠成像諸如神經(jīng)遞質(zhì)受體一類的，對確定突觸身份和特性極為重要的特異分子；具有自動圖像分割能力能夠有效地分析大容積重建成像來捕獲整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)或回路。

當(dāng)前熒光顯微鏡和電子顯微鏡(EM)均被利用于神經(jīng)回路成像。EM能提供精致的空間分辨率和膜反差由此精確識別突觸，現(xiàn)代EM的高成像速度使得能夠?qū)崿F(xiàn)越來越大容積重建成像。然而由于高質(zhì)量EM成像需要嚴(yán)格的固定和樣品制備條件，標(biāo)記內(nèi)源性突觸蛋白來確定突觸的分子特性和功能特性對于大容積重建成像仍然是一個(gè)艱難的任務(wù)。此外，EM自動分割圖像仍然是個(gè)挑戰(zhàn)，成為了擴(kuò)大神經(jīng)回路分析的一個(gè)瓶頸。比較而言，熒光顯微鏡能夠兼容免疫組化和內(nèi)源性蛋白成像，多種顏色的熒光信號可幫助簡化自動圖像分割任務(wù)實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)分析。但熒光顯微鏡有限的衍射分辨率可導(dǎo)致識別和分配重建回路中的突觸時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

超分辨率顯微鏡成像可以克服衍射限制，通過整合高成像分辨率來識別和分配突觸實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)特異性標(biāo)記確定突觸分子特性，及采用多顏色成像實(shí)現(xiàn)有效地?cái)?shù)據(jù)分析，來提高突觸重建神經(jīng)回路的能力。

在這里研究人員報(bào)告稱開發(fā)出了一種超高分辨率容積重建平臺，用于大容積成像及利用分子特性信息自動細(xì)分神經(jīng)元與突觸。她們利用這一平臺繪制出了給光-撤光型(ON-OFF) 方向選擇性神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(direction-selective ganglion cell, DSGC)抑制突觸輸入?yún)^(qū)的圖譜，在小鼠視網(wǎng)膜中這些細(xì)胞對于計(jì)算視覺運(yùn)動方向起重要作用。重建On-Off DSGCs顯示出一個(gè)GABA能受體亞型特異性輸入?yún)^(qū)負(fù)責(zé)生成了方向選擇性反應(yīng)。這些結(jié)果證實(shí)了這一超高分辨率平臺在探詢神經(jīng)回路方面具有的獨(dú)特能力。