Cell：开发出一种自动化的电子显微镜平台，可高分辨率地重建神经回路图谱

2021年1月17日讯/生物谷BIOON/---神经元网络是如何连接成功能性神经回路的呢？这一直是神经科学领域的一个长期问题。为了回答这个基本问题，来自美国波士顿儿童医院和哈佛医学院的研究人员在一项新的研究中开发了一种新的方法来研究这些神经回路，并在这个过程中更多地了解关于它们之间的连接。相关研究结果于2021年1月4日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Reconstruction of motor control circuits in adult Drosophila using automated transmission electron microscopy”。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2020.12.013。

论文通讯作者、波士顿儿童医院和哈佛医学院的Wei-Chung Allen Lee博士说，“神经网络是广泛存在的，但它们之间的连接却非常小。因此，我们必须开发新的技术，在真正的大尺寸上以极高的分辨率观察它们。”为此，他的团队开发了一种改进的大规模电子显微镜工艺。电子显微镜是一种最早在20世纪50年代开发的技术，使用加速电子束来可视化观察极小的结构。

Lee说，“但是电子显微镜存在的问题是，它虽然提供了如此高的图像分辨率，但是一直难以研究整个神经回路。为了改进这种技术，我们开发了一种称为GridTape的自动化系统，以高分辨率进行成像，但规模上要涵盖神经回路。”

GridTape：自动化、更快、更便宜的电子显微镜技术

传统的电子显微镜需要手工采集成千上万个组织样本到网格上。组织被切成40纳米厚的切片，比人的头发还薄一千倍。GridTape技术可以自动收集样本，为每个切片分配一个条形码，并将它们添加到传送带上，然后可以像电影放映机一样传送到电子显微镜。该技术的一个优点是，每个组织切片中的每个神经元都被标记。

Lee解释说，“当电子穿过每个切片时，我们可以对每个神经元进行精细的成像。而且因为所有的切片都被标记上条形码，我们确切地知道这些切片中的每一个来自哪里，所以我们可以重建神经回路。这种新技术让我们能够以自动化的方式更快地进行电子显微镜检查，质量高，但价格合理。”

在他们的论文中，Lee团队提供了GridTape仪器设计和软件，以使更大的科学研究界能够获得和负担得起大规模的电子显微镜。

果蝇脊髓：一个案例研究

该团队使用他们的GridTape方法研究了黑腹果蝇的腹神经索，它与脊髓相似。它包含了果蝇用来移动四肢的所有神经回路。他们的目标是构建一个控制运动功能的神经回路的综合图谱。

Lee说，“通过将这种方法应用于整个腹神经索，我们能够重建它含有的所有运动神经元，以及大量的感觉神经元群体。”

在这个过程中，他们在果蝇中发现了一类特殊的感觉神经元，被认为可以检测负荷（比如体重）的变化。Lee说，“这些神经元非常大，数量相对罕见，它们直接连接到身体两侧的同类型运动神经元上。我们认为这可能是一种有助于稳定身体位置的神经回路。”

从这项研究中，该团队构建了1000多个运动神经元和感觉神经元的重建图谱。Lee说，“它允许世界上任何人访问这个数据集，并查看他们感兴趣的任何神经元，并询问它们与哪些神经元相连接。”

未来的应用

鉴于如今有了绘制越来越大的神经回路的能力，Lee认为这种技术可以用于研究更大大脑中的神经回路，并测试有关神经功能和行为的预测。他的团队如今正在小鼠中研究这项技术，英国和日本的其他研究人员也正在多个动物系统中应用这项技术。

此外，该技术在需要以非常高的分辨率对大量样本进行成像的领域有更广泛的潜在用途。Lee说说，“因此，原则上，如果人们需要生成大量的数据，那么各种形式的电子显微镜都可以通过使用这种技术来加以改进”，包括基于电子显微镜的DNA测序，或者解析蛋白结构的低温电子显微镜。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Jasper S. Phelps et al. Reconstruction of motor control circuits in adult Drosophila using automated transmission electron microscopy. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2020.12.013.

2.GridTape: An automated electron microscopy platform
https://phys.org/news/2021-01-gridtape-automated-electron-microscopy-platform.html