技術使整個人類大腦半球以亞細胞解析度進行3D成像 | 麻省理工學院新聞

觀察人類大腦的新技術

長久以來，科學家們一直希望能夠完整觀察人類大腦的每一個細節，無論是大是小。然而，最近在《科學》期刊上，麻省理工學院 (MIT) 的研究團隊描述了一種新技術，讓他們能夠以高解析度和快速的速度，對兩位捐贈者的大腦半球進行詳細的影像處理和標記，其中一位有阿茲海默症，另一位則沒有。

麻省理工學院的副教授鍾光勳 (Kwanghun Chung) 表示：「我們對人類大腦組織進行了多種解析度的整體影像，從單一突觸到整個大腦半球，並且已經將這些數據公開。」這項技術讓我們能夠從多個層面分析人類大腦，未來有可能用來完整繪製人類大腦的地圖。

新研究的意義

這項研究並沒有提供整個大腦的全面地圖，但它展示了三種技術的整合，能夠進行許多長期以來的神經科學研究。研究中展示了許多例子，顯示這項技術的潛力，包括成千上萬的神經元在整個大腦區域中的分布，以及每個細胞的詳細特徵。

鍾光勳指出，能夠完整影像化人類大腦半球，並且解析到單一突觸的程度，對於理解人類大腦的健康和疾病有著雙重重要性。

優越的樣本

首先，這讓科學家能夠使用同一個大腦進行綜合探索，而不是在不同的大腦中觀察不同的現象。這樣可以避免因大腦之間的差異而造成的誤解。這項新技術的關鍵在於，分析過程不會損壞組織，反而讓組織變得更耐用，並且可以重複標記，以便未來的研究使用。

鍾光勳說：「我們需要能夠看到所有這些不同的功能組件，理想情況下是在同一個大腦中，這樣才能考慮到人類大腦的個體差異。」

其次，這項技術的高擴展性和高通量意味著可以創建許多樣本，以代表不同的性別、年齡、疾病狀態等，這樣可以進行更強有力的比較。

三項關鍵創新

鍾光勳表示，他在這項研究中面臨的最大挑戰是建立一個包括三位特別有才華的年輕科學家的團隊。這三位科學家各自負責三項主要創新。機械工程師王季 (Ji Wang) 開發了「Megatome」，這是一種能夠精細切割完整人類大腦半球的設備。材料工程師朴周赫 (Juhyuk Park) 則開發了使每個大腦切片變得透明、靈活和耐用的化學技術，稱為「mELAST」。而軟體開發者關韋伯 (Webster Guan) 創建了一個計算系統「UNSLICE」，能夠無縫地將切片重新組合，重建每個半球的完整三維圖像。

這項技術的成功在於，切割過程中組織不會受到損壞，這是因為王季設計的刀片能夠更快地振動，並且切割得更寬。這樣的切割方式使得整個大腦半球可以在一天內完成，而不是幾個月。

探索阿茲海默症

多年來，鍾光勳與阿茲海默症研究者馬修·弗羅什 (Matthew Frosch) 合作，研究阿茲海默症的大腦。利用這項新技術，他們開始探索，首先注意到在阿茲海默症樣本中，神經元的損失最為明顯的區域。隨著技術的進步，他們進一步深入研究，並在論文中描述了一系列詳細的調查。

鍾光勳表示：「這項技術讓我們幾乎可以無限制地訪問組織，我們可以隨時回去查看新的東西。」

他們主要分析了每個半球的眼眶前額皮層，發現突觸的損失集中在與淀粉樣斑塊重疊的區域。值得注意的是，這項技術同樣適用於身體的許多其他組織，而不僅僅是大腦。

研究團隊希望這項可擴展的技術平台能夠促進對人類器官功能和疾病機制的理解，進而推動新療法的發展。

除了鍾光勳、朴周赫、王季和關韋伯，論文的其他作者還包括拉爾斯·阿·耶斯特比 (Lars A. Gjesteby)、迪倫·波拉克 (Dylan Pollack) 等人。

這項研究的主要資金來自美國國立衛生研究院 (National Institutes of Health)、皮考爾學院 (The Picower Institute for Learning and Memory) 和其他機構。