画张地图,解密大脑

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  大脑就像是一个错综复杂的迷宫。一个小小的问题就可能导致精神疾病或者脑神经疾病,但是我们却像无头苍蝇一样,不知道根源在哪里。继人类基因图谱之后,欧美国家又开启了人类大脑图谱的绘制计划,将利用切片和透明化等技术,揭开大脑的神秘面纱。
  缺张地图的迷宫
  大脑是我们最精密和复杂的器官,我们的情绪变化、感知能力、遣词造句、平衡能力、运动能力等都与大脑密切相关。然而,大脑也是我们了解最少的器官,因此许多精神疾病和脑神经疾病对我们而言都十分神秘,我们不知道这些疾病如何发生,也不知道到底是大脑的哪个部分出现了什么问题,只能坐以待毙。
  DSM是美国的精神疾病分类和诊断标准,我国现在用的CCMD-3诊断标准就是参照DSM-IV制定的。今年,美国出台了新的精神疾病分类和诊断标准——DSM-V, 不出意外,质疑之声四起。根据DSM来诊断精神疾病似乎有很大的局限性。科学性上更为成熟的医学领域通常都有明确的解剖学、生理学、生物化学、基因学的“证据”,而在精神疾病领域,DSM却只依靠患者的症状进行诊断,未免显得有些“单薄”。如果脑神经学的进步,能够让我们从解剖角度寻找到精神疾病的根源,一切也许会变得更加清晰。
  除了精神疾病,我们对阿兹海默症、帕金森、癫痫等脑神经疾病也几乎束手无策。虽然,核磁共振等成影技术能够帮助医生尽早发现阿兹海默症等疾病,从而尽量延缓病程的发展,但仍然无法让研究者了解神经元是如何遭到破坏,损伤又是如何一步步扩展的。大脑像是一个陌生而又错综复杂的迷宫,我们现在急需制作一份准确而精密的地图,然后一步步进行探索和发掘。
  精度最高的3D大脑图
  一个国际神经学家团队将一位65岁女性死后的大脑切片、成像和分析,制作出了至今最详尽的人类3D大脑图。该大脑图展示了显微镜精度的神经元组织,有助于更新现有的大脑结构信息。相关论文发表在《科学》期刊上,完整的数据集也将上传到互联网,供全球科研人员免费下载。
  为了制作人类大脑图,德国和加拿大的研究人员挑选了一位65岁女性死亡后的大脑,然后利用一种超薄切片机,将由石蜡包裹的脑组织小心翼翼地切成7400多片,每片的厚度只有20微米,接着将切片染色,用于发现细胞体,接着对它们进行数字化处理。经过总共1000个小时的艰辛工作,终于创建出一幅三维脑图像。研究者之一、德国杜塞尔多夫大学的神经学家卡特琳·阿姆茨说,这位女性的大脑并无特别之处,他们挑选的唯一标准就是要一个没有神经或精神方面问题记录的脑,也就是所谓“健康的脑”或者“正常的脑”。
  这幅3D大脑地图的分辨率达20微米,比一根头发丝还细,而利用核磁共振成像技术构建的大脑图精度只能达到1毫米,因此前者比后者要高出50倍。可以说,该大脑图的精度要远高于现有的基准脑图的。这对于更好地认识人类中枢神经系统的复杂结构具有重大意义。
  研究人员说,这一研究项目,为了解认知、语言、情绪及其他类似过程的神经生物学基础铺平了道路,它也将能帮助科学家更好地认识阿兹海默症等疾病的病理,并为药物研发提供有价值的信息。
  将大脑透明化
  斯坦福大学生物工程学的研究团队,使用一种果冻状的水凝胶替换掉大脑中不透明的组织,将大脑透明化,让研究者可以清楚地看到神经元(大脑神经细胞)以及神经元之间错综复杂的突触。将大脑放进充满水凝胶的容器中,水凝胶分子就会慢慢渗透其中,并将原本细胞外包裹的脂质双分子层替换掉。稍后,再用电化学方法移除被替换掉的脂质双分子层。接着,研究人员将处理过的大脑加热到正常人体温度,使分子间形成坚固的网状结构,好似包裹在脑外的一个壳。放置8天后,一个完整的、透明的大脑就出现了。
  用裸眼就可以在这个透明的大脑上清楚地看到丘脑、脑干、大脑皮质和海马体等大脑结构,在显微镜下,则可以进一步看到大脑活动的基础结构——白质,就连神经回路和细胞都能看得见。科学家制作出的透明化的第一个人类大脑,来自一名孤独症患者。
  相比将大脑组织切成薄片制作而成的大脑图,这种整体的透明化大脑能够清楚地呈现神经元之间的联系,因为神经元延伸出去的突触没有被切断。正是神经元的突触之间所传递的信息构成了我们的所有思绪,将它们完整地保留对于中枢神经系统的研究十分重要。另外,由于使用的水凝胶透明且具有渗透性,因此研究人员可以在其中加入不同颜色的荧光染料,特定的部位或细胞就可以被标记出来。让人能更容易分辨出大脑不同的部位。
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