在“巡回演出”中,研究人员以细微的细节对整个飞行大脑进行成像

在“巡回演出”中,研究人员以细微的细节对整个飞行大脑进行成像

研究人员使用电子显微镜重建飞行脑中的一组神经元(上面的颜色),为记忆和学习中涉及的大脑区域提供气味信息。

Z. Zheng 等人 / Cell 2018
在“巡回演出”中,研究人员以细微的细节对整个飞行大脑进行成像

科学家们第一次对果蝇Drosophila melanogaster的整个大脑进行了足够详细的成像,以检测每个神经元之间的各个连接点或突触。 由此产生的图像数据库可以帮助研究人员绘制神经回路,这些神经回路是飞行行为中每一次嗅探,嗡嗡声和空中机动的基础。

“这个数据集 - 以及它创造的机会 - 可能是最近在神经生物学中发生的最重要的事情之一,”哈佛大学神经生物学家雷切尔威尔逊说,他没有参与这项新工作。 “世界上任何有兴趣的人都可以下载数据集并确定是否有任何两个神经元......彼此交谈。”

与我们自己头骨中大约1000亿个神经元相比,100,000神经元果蝇大脑是基本的。 但弗雷德霍华德医学研究所位于弗吉尼亚州阿什伯恩的Janelia研究园区的神经科学家戴维博克说,这只苍蝇仍然“远远超过了你在晚餐时从酒杯上甩掉的小斑点”。 他说,飞行大脑中的一些系统 - 就像那些负责检测和记忆气味的系统 - 可能与人类共享“共同原则”。

为了确定单个突触的特征,一个神经元的信号传递到另一个神经元,Bock及其同事使用电子显微镜,它可以解析比传统光学显微镜更精细的细节。 他们将苍蝇的大脑浸泡在含有重金属的溶液中,这些重金属与神经元的膜和突触中的蛋白质结合。 Bock解释说,这使得大脑看起来像一团面条,外面每个都是黑色但内部是白色。 然后,一把钻石刀将大脑切成大约7000个切片,每个切片都被显微镜中的一束电子击中以产生图像。

这个过程需要一个可以捕获每秒100帧的相机,一个机器人系统,用于将每个脑切片扫描到纳米级精度的位置,以及将所产生的2100万张图片拼接在一起的软件。 结果是重建,让研究人员可以放大单个突触的特征。

纽约洛克菲勒大学的神经生物学家Cornelia Bargmann说:“本文是对技术成就的绝对定义。” 她研究了线虫Caenorhabditis elegans的神经系统; 它的302个神经元的接线图或连接组发表于1986年。为了得到一个类似的飞行大脑图,研究人员将不得不使用新的图像来跟踪每个神经元跟踪它听到的所有其他神经元并在脑。

到目前为止,Bock和他的团队已经完成了大脑中一小部分神经元的研究,这些神经元参与学习和记忆称为蘑菇体的气味。 今天在Cell中描述的最初项目有关苍蝇研究良好的嗅觉系统的 。 例如,将气味信息传递给蘑菇体内细胞的神经元形成了意想不到的紧束,Bock的团队正在研究这些神经系统,以寻找有关苍蝇如何从其环境中采集气味的线索。

如果世界各地的团队设法制作苍蝇大脑的完整接线图,那么他们就需要将这些信息与记录活苍蝇大脑活动的其他技术结合起来。 Bargmann指出,神经元之间连接的强度会随着时间的推移而发生变化。 “我已经使用连接器研究了一个有机体30年了,我们仍然在探索这种神经系统是如何工作的。”

但新论文中描述的技术能力表明很快就可以绘制一个生物的连接组,这是另一个与人类相近的进化步骤。 “鉴于他们已经开始工作,斑马鱼的复杂程度大致相同,”巴格曼说。 “我想我们可以在不太长的时间内到达脊椎动物。”