科學家們用透射電子顯微鏡拍攝了一隻成年雌性果蠅的整個大腦的詳細照片。
果蠅的大腦包含大約10萬個神經元，現在可以通過一個包含大約2100萬張圖像的數據集來詳細追蹤這些神經元。詹妮婭的科學家們追蹤到了接觸蘑菇體的神經元(有色線)的路徑，蘑菇體是一個涉及記憶和學習的區域。
兩個高速電子顯微鏡、7062個腦片、2100萬張圖片。
對於位於弗吉尼亞州阿什本的霍華德·休斯醫學研究所(HowardHughes Medical Institute)的詹麗亞研究學院(JaneliaResearch)的一組科學家來說，這些數字加起來是技術上的第一步：一張成體果蠅大腦的高分辨率數碼快照。
研究人員現在可以追蹤到任何一個神經元到整個大腦的任何其他神經元的路徑，神經學家Davi Bock說，他在2018年7月19日和他的同事在“細胞”雜誌上報告了這項工作。
他說：“整個蒼蠅的大腦從來沒有在這個分辨率下被成像過，這樣你就可以看到神經元之間的聯繫。”這些細節是描繪大腦回路的關鍵-精確的神經元連接網是特定飛行行為的基礎。
JaneliaTeam的數據為科學家們提供了一個新的工具來繪製這些聯繫圖。而且，在大腦的一個記憶中心，數據也揭示了一種新的細胞類型和其他令人驚訝的東西。“每當你看到分辨率更高、更完整的圖像時，你就會發現新的東西，”博克說。
“蒼蠅的思想”
果蠅，或者果蠅，可能以在成熟的香蕉周圍嗡嗡作響而聞名。但博克說，這些微小的昆蟲驚人地複雜。“他們可以學習和記憶。他們知道哪些地方是安全和危險的。他們有精心安排的求愛和打扮。“。
博克想弄清楚這一切是如何運作的。
果蠅的大腦大約有罌粟種子那麼大，大約有10萬個神經元(人類有1000億)。每個神經元分支成一個星狀的細電線，接觸其他神經元的電線。神經元通過這些接觸點或突觸相互交談，形成密集的通訊網絡。
科學家可以用一種叫做序列切片透射電子顯微鏡的成像技術來觀察這些電線和突觸。首先，它們向蒼蠅的大腦注入重金屬混合物。這些金屬聚集在細胞膜和突觸中，最終標記每個神經元及其連接的輪廓。然後，研究人員用電子束擊中了大腦的切片，電子束除了金屬負載的部分外，什麼都能穿過。博克解釋說：“X光照射你身體的方式是一樣的，除了它們擊中骨頭的地方。”
由此產生的圖像暴露了大腦曾經隱藏的角落和裂縫。
“加快速度”
電子顯微鏡在歷史上一直是一個緩慢的過程。博克說，十年前，收集數百萬張觀察整個蒼蠅大腦所需的圖像是不可能的。“想象一下用iPhone拍2100萬張照片，”他說。“你會坐著點擊幾十年。”
他和一組科學家開發了新的工具來加速這一過程。該小組使用高速相機和兩個定製的系統，以8微米的增量快速移動組織樣本，使他們能夠快速捕獲鄰近地區的圖像。他們能夠在不到7分鐘的時間內拍攝到整個腦片-比之前的高通量透射電子顯微鏡相機陣列TEMCA 1快5倍。博克和他的同事們還得益於在Janeliia建造的一種自定義機器人裝載機，它可以自動拾取和放置樣本。
博克說，創造這種尖端技術是一項不小的成就。這項工作需要數十名珍妮利亞神經科學家、機械工程師和軟件開發人員以及約翰霍普金斯大學和分子生物學MRC實驗室的工程顧問和科學家的合作。在這些科學家之間進行了長期的非正式合作之後，由博克和詹妮婭軟件工程師哈立德·海利共同管理的正式的詹妮婭項目組於2016年成立，以推動這項工作的完成。
博克說，如果沒有整個團隊，這項研究是不可能的。“這是一種‘只在珍妮利亞’的企業.”
“仔細觀察”
博克的團隊收集並拼接了數百萬張圖片，深入觀察了蒼蠅的大腦-以及探索未知區域的機會。
博克的研究小組追蹤了到達蘑菇體的神經元的路徑，蘑菇體是一個涉及記憶和學習的區域。這些細胞，被稱為嗅覺投射神經元，以前用光學顯微鏡已經有過很好的描述。手動跟蹤這些神經元的輪廓和它們所有的線狀投影，讓博克的團隊確認他們的圖像數據的質量。
他說，“我們也碰到了一些有趣的新事物。”
嗅覺投射神經元向被稱為肯揚細胞的神經元發送信息。反過來，這些細胞會與不同的神經元群對話。直到現在，科學家們還沒有確定凱尼恩細胞在蘑菇體的一個叫做花萼的區域的談話夥伴。博克的團隊找到了這些神經元中的一些，以及一個以前未知的跨越大腦的神經元，它也將信息傳遞給肯揚細胞。
Bock說，嗅覺投射神經元似乎比科學家想象的更緊密地捆綁在一起。這種捆綁表明，在一度被認為基本上是隨機的東西中，存在著一種有序的結構。
博克說，更好地理解這種大腦回路可以讓科學家洞察蒼蠅的行為。他解釋說：“我們認為它會告訴我們動物是如何學習的-它是如何將氣味與獎勵或懲罰聯繫在一起的。”
現在，20多個實驗室小組正在挖掘新的數據集，追蹤神經元並勾勒出大腦的迴路。博克稱這些數據是一種資源，可以由神經科學家們自由地挖掘。“它為我們用來理解這種動物的工具包增加了另一個工具。”
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