逆天!MIT大牛用尿布材料将大脑尺寸扩大了20倍

医疗健康 来源:学术经纬
2017
04/20
09:35
学术经纬 医疗健康

近日,《自然》子刊《Nature Methods》上发表了一篇论文,而它立刻得到了《科学》官网的报道,这是重磅新闻才能享受的殊荣。这则被两家顶尖学术期刊共同关注的研究出自MIT的著名科学家Ed Boyden教授之手。他的团队发明的“大脑倍增术”将大脑尺寸扩大了20倍,让神经学家能在普通的光学显微镜下,以极高的分辨率观察大脑结构,甚至清晰地分辨出不同的突触蛋白。


▲Ed Boyden教授是光遗传学的奠基人之一,也因此为世人所熟知(图片来源:MIT)

对于生物学家来说,仅仅是将生物样本放大,就足以获得大量新知识。几百年前,显微镜让人类知道了细胞的存在。如今,更高级的显微镜则让科学家们能看清细胞内不同蛋白的运作。在日新月异的科技发展面前,MIT生物工程系研究脑与认知科学的Boyden教授有了一个新想法。“我们想要了解整个大脑回路的布局,”他说道:“如果你能重建出一个完整的大脑回路,或许你就能利用计算模型,了解大脑是如何产生情感或是做出决定。当你了解到每一个生物分子的布局、细胞如何产生电信号、并且怎样交换化学物质后,你就有能力去模拟整个大脑。”

然而大脑本身却不是一个适合观察的器官。它总体而言不透明,细胞与细胞之间排列组合错综复杂。利用现有的共聚焦显微镜(confocal microscope),科学家们能观察到的分辨率最高只有几百纳米。


▲科学家们希望有朝一日能还原出整个大脑回路的布局(图片来源:《科学》)

如果直接观察这些组织过于困难,我们为啥不能把这些组织变得更大呢?MIT的科学家们想到了一种叫做聚丙烯酸酯的材料。这是一类高吸水性的分子,最常见的用途之一是婴儿尿布。在吸收了婴儿的尿液后,它的体积会扩大很多倍。研究人员意识到,这一特性也许能被用来扩大大脑样本的体积。

在一项实验中,研究人员将大脑样本包埋在了这类分子中,并用带有荧光的标记分子去识别特定的蛋白靶点。等到这些标记分子就位后,研究人员用蛋白酶清除样品中的蛋白质(包括那些让组织粘连在一起的蛋白),然后给样本加上了水。在吸收水分后,随着吸水性材料的不断膨胀,大脑样本也随之慢慢扩大。在此过程中,那些荧光标记分子依旧保持着各自相对的位置,从而反映了大脑样本原有的结构。利用未被蛋白酶降解的标记分子留下的荧光,研究人员就能估算出大脑样本扩大的倍数。

这种简单的方法能在线性维度上,将大脑扩大4.5倍。这一看似微小的变化,能将分辨率从几百纳米提高到60纳米。在共聚焦显微镜下,原本模糊一片的样品,变得无比清晰。


▲尿布材料让大脑样本变得清晰无比(图片来源:《Nature Methods》)

这是一个巨大的突破——它首次让科学家们能以常规的光学显微镜,达到只有昂贵的显微镜才能看到的效果。但研究人员对此依旧不满意。“单独的生物分子还要小,它们只有5纳米,甚至更小,” Boyden教授说道:“这套技术能回答许多科学上的问题,但和电子显微镜等最高清晰度的成像手段还无法同日而语。”因此,研究人员并没有停下脚步,而是继续钻研让放大倍数继续增加的可能性。

在一些初步的实验中,研究人员发现,如果减少把这些吸水分子链接起来的交联物,大脑的体积就能得到进一步扩大。这就好像较薄的气球更容易被吹起来一样,很容易理解。但容易吹起来的气球也容易破,这套系统也有同样的问题。如果减少这些交联物,大脑结构会在膨胀的过程中变得不稳定,甚至是乱七八糟。这可不是研究人员想看到的。

“如果你减少交联物的密度,这些多聚体就不能在膨胀过程中很好地保持自身的结构,” Boyden教授评论说:“很多信息就这样丢失掉了。”


▲第二种凝胶让大脑样本得以进一步扩大(图片来源:《Nature Methods》)

那有什么办法能让大脑组织在膨胀的过程中保持结构稳定呢?研究人员用上了另一种特殊的凝胶——在大脑样本随着吸水分子的膨胀而倍增后,研究人员把这些样本放到了特殊的凝胶里,让凝胶去破坏原有吸水分子间的交联。但与此同时,这种凝胶的特性让大脑的结构依旧保持稳定。随后,研究人员再次让这些样本膨胀,进一步放大它的尺寸。

这样一来,大脑样本的尺寸能被额外扩大4倍左右。换句话说,普通大脑样本的尺寸在线性维度上能被扩大到20倍左右,分辨率达到了25纳米。


▲用常规的显微镜,人们首次能以如此高的清晰度看到大脑内的结构(图片来源:《Nature Methods》)

这与目前的一些高级显微镜能达到的分辨率旗鼓相当。但这套技术的成本要低得多,实际操作上更方便,也不需要特殊的试剂和仪器。

利用这套技术,研究人员不但能看到影响突触内数百种蛋白结构的支架蛋白,更能清楚地观察到神经递质受体在突触后细胞表面上的分布。这些观察结果有助于神经科学领域的最新研究。

尽管离还原整个大脑的布局还有一定距离,但Boyden教授对此表示乐观。他认为在接下来的几年,他们有望从突触的支架蛋白和信号蛋白入手,开始还原它们在大脑中的布局。这一前景让人感到兴奋。

参考资料

[1] Iterative expansion microscopy

[2] Expansion microscopy

[3] By blowing up brain tissue to 20 times its size, scientists see unprecedented details

[4] High-resolution imaging with conventional microscopes

来源:学术经纬

为你推荐

石药集团与阿斯利康成立合资公司,收到1000万美元里程碑付款资讯

石药集团与阿斯利康成立合资公司,收到1000万美元里程碑付款

双方将在河北石家庄建设新一代生物制剂生产基地,该合资公司的初始业务将聚焦于为全球市场生产及供应双方约定的生物制剂药物原液(DS)。

2026-08-05 20:49

全球首款!核心医疗人工心脏产品获欧盟CE认证资讯

全球首款!核心医疗人工心脏产品获欧盟CE认证

Corheart®6 可用于桥接心脏移植、短期心肌功能恢复治疗以及长期终点治疗,完整覆盖终末期心衰从短期生命支持到永久循环辅助的全场景临床需求

2026-08-05 20:37

国家药监局批准3款创新医疗器械上市资讯

国家药监局批准3款创新医疗器械上市

近日,国家药品监督管理局批准了河南赛美视生物科技有限公司的“三焦点环曲面人工晶状体”和深圳北芯医疗科技有限公司的“心脏脉冲电场消融仪”、“一次性使用心脏脉冲电场消融...

2026-08-05 16:47

2000年-2025年国家基本医保药品目录相关数据资讯

2000年-2025年国家基本医保药品目录相关数据

药品数量仅指药品目录西药和中成药的编号数,截至2026年7月3日,目录内3253种药品对应药品通用名5890个。

2026-08-05 14:19

80亿美元,全球两家核药公司合并资讯

80亿美元,全球两家核药公司合并

美东时间8月3日,Curium Pharma宣布与Lantheus Holdings, Inc 达成最终合并协议。Curium将以每股102 5美元现金收购Lantheus全部流通股,基础对价70亿美元,若2030年前达成...

2026-08-05 13:51

英卓凡正式在华上市,联合英飞凡用于晚期或不可切除的肝细胞癌资讯

英卓凡正式在华上市,联合英飞凡用于晚期或不可切除的肝细胞癌

为晚期肝癌患者点亮长生存新希望

2026-08-05 11:03

章科:坚持为人民出政绩  推动医疗保障事业高质量发展资讯

章科:坚持为人民出政绩 推动医疗保障事业高质量发展

医疗保障制度依法保障每一位参保群众的医保权益,有力提高全社会医疗服务的可及性,有助于增进民生福祉、缩小贫富差距,促进社会公平和共同富裕。

2026-08-05 10:48

康宁杰瑞与PathosAI达成22亿美元ADC授权协议,1.25亿美元首付款资讯

康宁杰瑞与PathosAI达成22亿美元ADC授权协议,1.25亿美元首付款

8月4日,康宁杰瑞生物制药宣布其全资子公司江苏康宁杰瑞生物制药有限公司与美国临床阶段生物技术公司Pathos AI就TROP2 HER3双特异性抗体偶联药物JSKN016达成独家授权许可协议。

2026-08-04 22:14

剂泰科技与恒瑞医药达成AI制剂合作资讯

剂泰科技与恒瑞医药达成AI制剂合作

8月3日,剂泰科技发布自愿公告,宣布自主研发的AiTEM人工智能制剂创新平台将在恒瑞医药进行本地化部署,加速药物制剂配方开发效率。

2026-08-04 13:01

以专业教育与患者为中心的创新实践,解码中国代谢健康新图景资讯

以专业教育与患者为中心的创新实践,解码中国代谢健康新图景

近日,礼来中国今日于上海世博展览馆举办年度心血管代谢健康高峰论坛。

2026-08-04 11:41

东阳光药甘精胰岛素首批115.2万支发货美国资讯

东阳光药甘精胰岛素首批115.2万支发货美国

近日,东阳光药发布公告,首批甘精胰岛素注射液(商品名:Langlara)已于7月27日自湖北宜都生产基地分批启运美国,预计8月中下旬完成全部发货。首批计划发货115 2万支。

2026-08-04 11:37

维利信LBL-024用于转移性结直肠癌获批IND资讯

维利信LBL-024用于转移性结直肠癌获批IND

8月3日,维立志博发布公告,公司自主研发的PD-L1 4-1BB双特异性抗体维利信(LBL-024)联合用药治疗转移性结直肠癌(mCRC)的开放、多中心Ib II期临床试验申请已获得国家药品监...

2026-08-04 10:22

药明康德半年业绩超预期,大幅上调全年业绩指引资讯

药明康德半年业绩超预期,大幅上调全年业绩指引

预计2026年公司整体收入由人民币513-530亿元上调至人民币585-605亿元,上调幅度约14%,持续经营业务收入同比增速由18%-22%上调至35%-39%。药明康德计划向全体股东每10股派发现金红利5 1元(含税)。

2026-08-03 20:46

3.3亿元天使轮融资,主动科技刷新国内脑机接口领域融资纪录资讯

3.3亿元天使轮融资,主动科技刷新国内脑机接口领域融资纪录

上海主动科技有限公司正式宣布完成3 3亿元人民币天使轮融资。

2026-08-03 17:48

安永吴晓颖:中国创新药全球化步入深水区,交易价值兑现成行业分水岭资讯

安永吴晓颖:中国创新药全球化步入深水区,交易价值兑现成行业分水岭

近日,安永正式发布《从中国创新到全球价值:中国创新药全球合作与交易观察》白皮书

文/张蓉蓉 2026-08-03 17:33

微创持续葡萄糖监测系统获批资讯

微创持续葡萄糖监测系统获批

7月30日,上海微创生命科技有限公司的AccuSense 妙感持续葡萄糖监测系统(CGMs)获国家药品监督管理局(NMPA)批准上市。

2026-08-03 15:34

医院要求医药代表提供相关专业学历证明资讯

医院要求医药代表提供相关专业学历证明

根据《医药代表管理办法》第十条规定,医药代表应当具有医学、药学或相关专业大学专科及以上学历。

2026-08-03 13:37

消息称阿斯利康与百时美施贵宝正洽谈合并资讯

消息称阿斯利康与百时美施贵宝正洽谈合并

知情人士透露,两家公司近几个月已就合并进行了多轮磋商,交易有望在近期落地,但也存在推迟或破裂的可能。

2026-08-03 10:55

国家医保局召开全国深化医保基金管理突出问题专项整治工作中期推进会资讯

国家医保局召开全国深化医保基金管理突出问题专项整治工作中期推进会

7月31日,国家医保局会同最高人民法院、最高人民检察院、公安部、财政部、国家卫生健康委、税务总局、市场监管总局、国家中医药局、国家药监局,10部门联合召开全国深化医保基金...

2026-08-03 10:40

第12批国采,哪家企业中选品种最多?资讯

第12批国采,哪家企业中选品种最多?

本次集采65个品种全部采购成功,全国共4 5万家医药机构报量,327家企业的521个产品获得拟中选资格,覆盖抗感染、抗肿瘤、抗血栓、降血糖、降血压、降血脂、风湿免疫、消炎镇痛...

2026-08-02 19:58