近日， 《自然》子刊《Nature Methods》上發表了一篇論文， 而它立刻得到了《科學》官網的報導， 這是重磅新聞才能享受的殊榮。 這則被兩家頂尖學術期刊共同關注的研究出自MIT的著名科學家Ed Boyden教授之手。 他的團隊發明的“大腦倍增術”將大腦尺寸擴大了20倍， 讓神經學家能在普通的光學顯微鏡下， 以極高的解析度觀察大腦結構， 甚至清晰地分辨出不同的突觸蛋白。
對於生物學家來說， 僅僅是將生物樣本放大， 就足以獲得大量新知識。 幾百年前， 顯微鏡讓人類知道了細胞的存在。 如今， 更高級的顯微鏡則讓科學家們能看清細胞內不同蛋白的運作。
然而大腦本身卻不是一個適合觀察的器官。 它總體而言不透明， 細胞與細胞之間排列組合錯綜複雜。 利用現有的共聚焦顯微鏡（confocal microscope）， 科學家們能觀察到的解析度最高只有幾百納米。
如果直接觀察這些組織過於困難， 我們為啥不能把這些組織變得更大呢？MIT的科學家們想到了一種叫做聚丙烯酸酯的材料。
在一項實驗中， 研究人員將大腦樣本包埋在了這類分子中， 並用帶有螢光的標記分子去識別特定的蛋白靶點。 等到這些標記分子就位後， 研究人員用蛋白酶清除樣品中的蛋白質（包括那些讓組織粘連在一起的蛋白）， 然後給樣本加上了水。 在吸收水分後， 隨著吸水性材料的不斷膨脹， 大腦樣本也隨之慢慢擴大。 在此過程中， 那些螢光標記分子依舊保持著各自相對的位置， 從而反映了大腦樣本原有的結構。
這種簡單的方法能在線性維度上， 將大腦擴大4.5倍。 這一看似微小的變化， 能將解析度從幾百納米提高到60納米。 在共聚焦顯微鏡下， 原本模糊一片的樣品， 變得無比清晰。
這是一個巨大的突破——它首次讓科學家們能以常規的光學顯微鏡， 達到只有昂貴的顯微鏡才能看到的效果。 但研究人員對此依舊不滿意。 “單獨的生物分子還要小， 它們只有5納米， 甚至更小， ” Boyden教授說道：“這套技術能回答許多科學上的問題， 但和電子顯微鏡等最高清晰度的成像手段還無法同日而語。 ”因此， 研究人員並沒有停下腳步， 而是繼續鑽研讓放大倍數繼續增加的可能性。
在一些初步的實驗中， 研究人員發現， 如果減少把這些吸水分子連結起來的交聯物， 大腦的體積就能得到進一步擴大。 這就好像較薄的氣球更容易被吹起來一樣， 很容易理解。 但容易吹起來的氣球也容易破， 這套系統也有同樣的問題。 如果減少這些交聯物， 大腦結構會在膨脹的過程中變得不穩定， 甚至是亂七八糟。 這可不是研究人員想看到的。
“如果你減少交聯物的密度， 這些多聚體就不能在膨脹過程中很好地保持自身的結構， ” Boyden教授評論說：“很多資訊就這樣丟失掉了。 ”
那有什麼辦法能讓大腦組織在膨脹的過程中保持結構穩定呢？研究人員用上了另一種特殊的凝膠——在大腦樣本隨著吸水分子的膨脹而倍增後，
這樣一來， 大腦樣本的尺寸能被額外擴大4倍左右。 換句話說， 普通大腦樣本的尺寸在線性維度上能被擴大到20倍左右， 解析度達到了25納米。
這與目前的一些高級顯微鏡能達到的解析度旗鼓相當。但這套技術的成本要低得多，實際操作上更方便，也不需要特殊的試劑和儀器。
利用這套技術，研究人員不但能看到影響突觸內數百種蛋白結構的支架蛋白，更能清楚地觀察到神經遞質受體在突觸後細胞表面上的分佈。這些觀察結果有助於神經科學領域的最新研究。
儘管離還原整個大腦的佈局還有一定距離，但Boyden教授對此表示樂觀。他認為在接下來的幾年，他們有望從突觸的支架蛋白和信號蛋白入手，開始還原它們在大腦中的佈局。這一前景讓人感到興奮。
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這與目前的一些高級顯微鏡能達到的解析度旗鼓相當。但這套技術的成本要低得多，實際操作上更方便，也不需要特殊的試劑和儀器。
利用這套技術，研究人員不但能看到影響突觸內數百種蛋白結構的支架蛋白，更能清楚地觀察到神經遞質受體在突觸後細胞表面上的分佈。這些觀察結果有助於神經科學領域的最新研究。
儘管離還原整個大腦的佈局還有一定距離，但Boyden教授對此表示樂觀。他認為在接下來的幾年，他們有望從突觸的支架蛋白和信號蛋白入手，開始還原它們在大腦中的佈局。這一前景讓人感到興奮。
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