人類大腦是一個1.5千克的器官，雖然體積小，但包含了800多億神經(jīng)元，這些神經(jīng)元通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)連接大約7000個突觸。神經(jīng)結(jié)構(gòu)的范圍大小超過7個數(shù)量級，并且由10000多種不同類蛋白質(zhì)組成，構(gòu)建和維持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡已在理解大腦復(fù)雜性方面取得巨大進(jìn)展。電子顯微鏡能成像單獨(dú)的離子通道和突觸小泡。但是，電子顯微鏡產(chǎn)生灰度圖像，其在特定亞細(xì)胞成分分割或特定神經(jīng)元樹枝化的追蹤上仍具挑戰(zhàn)性，很少能明確地識別特定蛋白質(zhì)。光學(xué)顯微鏡用免疫熒光、熒光蛋白或熒光原位雜交組合來特異性識別蛋白表達(dá)模式，高靈敏地成像腦組織，但在密集神經(jīng)追蹤或分子的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的精確定位上分辨率不足。衍射-無限超分辨率熒光顯微鏡結(jié)合納米尺度分辨率與蛋白質(zhì)特異性對比，但漂白熒光團(tuán)對大體積成像來說太快，使得該顯微鏡對單一黑色素瘤大腦成像就需要數(shù)月甚至數(shù)年。

為觀察蛋白質(zhì)在小鼠大腦皮層或整個果蠅大腦厚度間的納米空間關(guān)系，包括神經(jīng)元突觸蛋白、軸突髓鞘化以及每個腦區(qū)多巴胺能神經(jīng)元的突觸前密度，研究團(tuán)隊采用擴(kuò)張顯微鏡和晶格層光顯微鏡組合技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能對神經(jīng)發(fā)育、性別二態(tài)性以及行為或神經(jīng)活動的結(jié)構(gòu)相關(guān)性進(jìn)行大規(guī)模研究。

研究最初利用擴(kuò)張顯微鏡，使用化學(xué)方法使大腦樣本膨脹為原來4倍，創(chuàng)建了擴(kuò)張的光學(xué)清晰的熒光樣本體膜，保留了原始熒光標(biāo)簽的相對分布。為拍攝更大組織塊，看到跨越數(shù)毫米甚至更多完整的神經(jīng)回路，需要高速、高分辨率、成像前不破壞樣本的顯微鏡，研究使用了諾貝爾化學(xué)獎Betzig教授的晶格層光顯微鏡，以三維方式對敏感活細(xì)胞的快速亞細(xì)胞動力學(xué)進(jìn)行成像，最小光漂白速度足以在2~3天內(nèi)對整個果蠅大腦或小鼠皮層厚度成像，兩種顯微技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了快速大面積腦組織的詳細(xì)成像。

研究團(tuán)隊分為4個小組，小組1提供高質(zhì)量的果蠅大腦樣本；小組2負(fù)責(zé)樣本擴(kuò)展，在每個大腦中收集大約5萬塊數(shù)據(jù)，形成三維拼圖；小組3負(fù)責(zé)圖像的復(fù)雜計算拼接，處理所有圖像細(xì)節(jié)；小組4分析200兆字節(jié)數(shù)據(jù)，研究1500多個神經(jīng)元，對整個果蠅大腦神經(jīng)元進(jìn)行計數(shù)，制作生動電影。

研究團(tuán)隊對果蠅和老鼠的整個大腦皮層部分進(jìn)行成像，擴(kuò)張顯微鏡和晶格層光顯微鏡的組合方法可對任何蛋白質(zhì)進(jìn)行高速、高分辨率的可視能力，成像速度是其他方法的1000倍。與電子顯微鏡果蠅大腦成像所需的數(shù)年相比，該技術(shù)只需62.5小時就能完成小鼠數(shù)百萬個神經(jīng)細(xì)胞間的突觸成像。組合成像方法每天可至少成像10個果蠅大腦，其成像速度和分辨率可幫助科學(xué)家探析更多問題，如男性和女性大腦的不同或同一類果蠅大腦回路如何變化等。

目前，研究團(tuán)隊正進(jìn)行新的晶格層光顯微鏡研究，希望實(shí)現(xiàn)整個人腦神經(jīng)系統(tǒng)地圖的快速繪制，精確度達(dá)到電腦模擬。該組合成像技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)掃描人類整個大腦800多億個神經(jīng)元連接，可幫助腦科學(xué)領(lǐng)域建立更好的AI、行為解釋以及解決腦疾病的起源問題。未來可用于追蹤控制記憶形成和回憶電路，研究感官輸入對特定行為的控制，分析情緒與決策等。