HD büyük resimde 40 milyon sinaps! İnsanlar hiçbir zaman beynin nano düzeyde bu kadar net bir taramasına ulaşmamışlardır
Xin Zhiyuan Rehberi Science dergisinin son kapağı, bilim insanlarının meyve sineklerinin beynini başarıyla taradıklarını ve anket hızını 1.000 kat artıran nano ölçekli görüntüleme elde ettiklerini bildirdi! Beyni yorumlama yeteneği ile bilim adamları, nöronlar arasındaki bağlantıları takip ederek beynin gizemlerini çözebilirler.
Beyin araştırmalarında yeni bir dönüm noktası burada!
Yeni yayınlanan Science dergisinin kapağı, MIT ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü'nden (HHMI) bilim adamlarının son sonuçlarını bildirdi ve meyve sineklerinin beyninin tamamını başarıyla görüntülediler. Netlik nanometre seviyesine ulaşır , Ve sadece üç günden kısa sürdü!
On yıllardır sinirbilimciler, insan beyni, fareler ve meyve sinekleri de dahil olmak üzere beynin sinir ağlarının eksiksiz bir ayrıntılı haritasını çizmeyi hayal ettiler. Bu yetenek sayesinde bilim insanları, beynin nasıl kararlar aldığını anlamak için nöronlar arasındaki bağlantıları takip edebilir.
Meyve sineklerinin beyinlerindeki nöronları ve sinapsları haritalamak için elektron mikroskobu kullanmak 10 yıl sürdü ve düzinelerce insan çok çalıştı. Bilim adamları, en son iki teknolojiyi birleştirerek Genleşme mikroskobu (genişleme mikroskobu) ve Kafes tabakalı ışık mikroskobu (kafes ışık levhası mikroskobu), yeni beyin haritalama hızı 1000 kat arttı.
Kafes tabakası ışık mikroskobunun icadına dikkat etmek önemlidir. Profesör Eric Betzig 2014 yılında Kimya dalında Nobel Ödülü'nü kazanan, bu kez Science dergisine kapak olan gazetenin adı da Eric Betzig.
Profesör Eric Betzig
Makalenin ilgili yazarı Profesör MIT Edward S. Boyden Beş yıl önce genişleme mikroskobunu icat etti ve 2018'de Nobel rüzgar yönü ile Kanada Gairdner Uluslararası Ödülü'nü kazandı.
Profesör Edward S. Boyden
Bu makale iki üst düzey araştırma ekibinin "boncuklar ve perdeler" başyapıtı olarak kabul edilebilir.
Beynin nano ölçekli gözlemi: Bir bakışta 40 milyon sinaps
Elektron mikroskobu beyni incelemek için her zaman güçlü bir araç olmuştur ve aynı zamanda nesiller boyu süren sıkı çalışmalardan sonra keşfedilen bir yoldur. Ancak elektron mikroskopları kullanarak meyve sineklerinin beyinlerinin görüntülerini elde etmek uzun yıllar alır.
Science'ın son sayısının kapağı, nöronların birbirine bağlı olduğu meyve sineği beynindeki 40 milyon sinapsı herkesin görmesini sağlayan yeni bir beyin tarama teknolojisini tanıttı.
Sinema Filmi: MIT'deki araştırmacılar, beyin dokusunun büyük ölçekli 3 boyutlu görüntülemesi için bir yöntem geliştirdiler ve meyve sineklerinin tüm beynini tasvir ediyorlar. kaynak:
Bu çalışmanın Dönüm noktası Gerçek şu ki, Drosophila beyninin tamamını kapsayan bu 3B harita, sadece 60 nanometre çapında ayrıntılar gösteriyor ve üç günden kısa sürüyor.Drosophila beynindeki farklı sinir hücreleri ve hatta proteinlerin göreceli uzaysal dağılımı bile Bakın, bu temel bilimsel araştırma için büyük önem taşıyor.
Ayrıntı seviyesi, elektron mikroskobu tarafından gözlemlenen kadar iyi olmasa da, sinirbilimciler, sinapsları hesaplayarak, bellekten sorumlu olanlar gibi sinir bağlantılarının gücünü yargılayabilirler.
2014 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü kazanan Profesör Eric Betzig, günde en az 10 meyve sineğinin beyinlerinin taranabileceğini söyledi.Bu kadar hızlı ve yüksek çözünürlük bilim insanlarını erkek ve dişi meyve sineklerinin beyinleri nelerdir gibi yeni sorular sormaya yöneltecektir. Farklılıklar veya aynı meyve sineğinin beyin devrelerindeki farklılıklar nelerdir?
Dahası, bu böcek beyinlerinin karmaşık ağ bağlantılarının süper çözünürlüklü bir görünümüdür.Bu ağ bağlantıları, beslenmeden çiftleşmeye kadar çeşitli davranışların temelini oluşturur.Gelecekte, daha yüksek seviyeli organizmaların beyinlerini taramayı dört gözle bekleyebilir misiniz?
Genleşme mikroskobu ve kafes tabakalı ışık mikroskobu boncuk perdesi kombinasyonu
MIT'den Profesör Edward Boyden beş yıl önce genişleme mikroskobunu icat etti ve şunları söyledi: "Sadece adım adım daha fazla beyin dokusunu taramıyoruz, tüm beyni tarıyoruz. Bu yüzden bu kadar heyecanlıyız."
Profesör Boyden, bu yeni beyin tarama teknolojisini geliştirmek için genişleme mikroskobu teknolojisini Betzig'in en son kafes tabakalı ışık mikroskobu teknolojisi ile birleştirdi.
Genleşme mikroskobunun (ExM) prensibi, doku örneğini suyla şişen bir polimere gömmek, böylece doku bir balon gibi genişler, iç yapının göreceli konumunu değiştirmeden tutmak ve ardından büyük beyin dokusunu incelemek için geleneksel bir mikroskop kullanmaktır. Ultra yüksek çözünürlüklü protein görüntüleme gerçekleştirdi. Kullanır Çocuk bezlerindeki poliakrilamid jele benzer , Bu jel tuzlu sudan saf suya geçiş sırasında şişecektir.
Kafes tabakalı ışık mikroskobu (LLSM), bir numunenin üç boyutlu görüntüsünü her seferinde bir ince dilim hızlı bir şekilde sentezlemek için oldukça odaklanmış bir ışın kullanır.
Betzig şunları söyledi: "(Boyden) 2016'da bana ilk geldiklerinde hala şüpheyle doluydum; endişelendiğim şey, öncelikle beyin dokusu gibi bir şeyi çarpıtmadan ideal olarak şişirip şişiremeyeceğiniz. Sonra, numunelerin şeffaf olmasına rağmen ışığı cam bilyeler gibi bozacağından endişeleniyorum. "
Meyve sineği beyinlerinin yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu görüntülerine göz atın. Bu renkli toplar, beyindeki bir nöron alt kümesi, yani dopamine yanıt veren nöronlar üzerindeki sinaps yoğunluğunu temsil eder. Toplamda, bu renkli toplar tüm beyindeki 40 milyon sinapsın 500.000'inin konumunu haritalandırır.Kırmızı en yüksek sinaps yoğunluğunu ve mor en düşük sinaps yoğunluğunu gösterir. Farklı beyin yapıları vurgulanmıştır. Video kaynağı: HHMI, UC Berkeley
Drosophila beyninin elipsoidindeki dopaminerjik nöronlar, 3 boyutlu derinlikle renk kodludur. Kaynak: MIT
Ortak araştırma ekibi, MIT Boyden laboratuvarında doktora sonrası araştırmacılar Ruixuan Gao ve Shoh Asano ile Harvard Tıp Fakültesi'nden Srigokul Upadhyayula tarafından yönetildi.Beyin dokusunu 4 kat şişirdikten ve hacmini 64 katına çıkardıktan sonra neredeyse hiçbir ilişkisi olmayacağını keşfettiler. Aynı net, deformasyon yok.
Boyden, "Keskinliğinin inanılmaz bir optik tekdüzelik gösterecek kadar mükemmel olduğunu görünce şaşırdım." Dedi.
Sonuç olarak, bu kafes tabakalı ışık mikroskobu, beynin tek bir sinaps düzeyinde çok ayrıntılı ve doğru bir görüntüsünü alabilir: çözünürlük, bir elektron mikroskobunun çözünürlüğünün yalnızca onda biri olan yaklaşık 60 nanometreye ulaşır. Çok renkli görüntüleme yalnızca 62,5 saat sürer.
Yolculuğumuz yıldızların "beyni" dir
Bununla birlikte Betzig, genişleme mikroskobundaki gelişmelerle - bazı bilim adamlarının dokuyu her yönde 25 kez gerebildiğini - bu birleşik tekniğin beyindeki tüm sinir bağlantılarını haritalamada neredeyse elektron mikroskobu kadar iyi olabileceğini tahmin ediyor. sonucu.
"10x veya 15x genişlemede etkili bir şekilde çalışmasını sağlayabilirseniz, bilim adamları elektron mikroskoplarını terk edebilir. Elektron mikroskopları da yoğun sinir takibi için iyidir, ancak teknolojimiz çok daha hızlı ve daha ucuzdur. . Endişelenmeleri gerektiğini düşünüyorum. Henüz elektron mikroskoplarının yerini alamasalar da, bence bu potansiyele sahipler. "
Her bir tam tarama, yaklaşık 10 TB veri üretir ve bu veriler daha sonra bir bilgisayar tarafından bir video oyunu gibi gezinilebilecek bir 3B görüntüde birleştirilir.
Beyindeki proteinlere floresan işaretler ekleyerek, nöronların ve diğer hücrelerin dış zarlarını, bir nöronu diğerine bağlayan sinapsları, beyin hücrelerinin iç bölmelerini vb. Haritalamak mümkündür.
Fare birincil somatosensör korteksindeki nöronlarla ilgili az sayıda piramidal nöron (sarı) ve presinaptik (camgöbeği) ve postsinaptik (macenta)
Bu araştırma nörobilim için son derece önemli araştırma araçları getirerek bilim insanlarının farklı sinir devrelerinin nasıl oluştuğunu, cinsiyetin beyni nasıl etkilediğini, hastalıkların beyne nasıl zarar verebileceğini vb. Anlamalarına yardımcı oldu.
Araştırma ekibi, meyve sineklerinin tüm beynini test etmekle kalmadı, aynı zamanda benzer sonuçlarla farelerin beyin korteksinde birkaç milimetre kalınlığında ince bir doku dilimini test etti.
İnsan beyninde 80 milyar nöron vardır ve her bir nöron 7.000 sinaps içerebilir.Bu, ekip için yeni bir zorluk olabilir.
Science dergisi rapor adresi:
