科學人雜誌
中研院-研之有物

「看見」大腦記憶的生成:超解析3D層光定位顯微鏡

2020/11/30 中央研究院企劃製作
本文節錄自中央研究院「研之有物」科普平臺


微動作、情緒起伏,都由神經網路以及傳遞訊息的化學分子交錯作用而產生。早期心理學家解析人類大腦意識活動,必須對照研究對象的夢境和生活史。然而,大多數人一起床,夢境就忘掉八成,若還要把夢境和童年記憶連繫起來,就更難了。如今神經科學家可使用螢光蛋白與基因工程等工具,給予果蠅等模式生物特定刺激,接著用螢光定位腦中參與活動的生化分子,藉此了解刺激前後分子如何重新分佈,推測它們在腦部活動中扮演的角色。


不過,由於可見光無法穿透較厚的組織,過去研究者必須把腦組織切成薄片,才能從顯微鏡中觀察。而切片會破壞大腦的整體性,無法忠實呈現完整的神經結構。2019 年,中央研究院應用科學研究中心陳壁彰副研究員與中研院院士暨國立清華大學腦科學研究中心江安世講座教授,合作研發出可透視果蠅全腦的超解析3D 層光定位顯微鏡,利用化學方法把果蠅大腦變「透明」,讓可見光通過,得以窺見果蠅腦部深處被螢光標定的單分子神經,藉此建構果蠅全腦神經網路地圖。


解析度、廣度,統統都要!


在開始這段精采故事之前,要先談一下傳統顯微鏡的問題。傳統光學顯微術能解析的最小距離約250 奈米,也就是說,如果兩個發光分子之間的距離小於250 奈米,就會因為光波繞射,使分子影像變得模糊。而大腦神經突觸的大小約為20~40 奈米,腦部活動相關的神經結構也有數十奈米。


可想而知,運用傳統「粗線條」的光學顯微術觀察大腦,即使可知大致的神經走向,也無法得知細微變化,因此「繞射極限」硬生生地限制了科學家一窺腦部全貌的夢想。另一方面,傳統顯微鏡還有視野廣度或視野大小的問題。神經突觸的大小是果蠅大腦(約數百微米)的數千分之一,想要解析特定分子在大腦的分佈,難度就像用小小無人機空拍籃球場,同時要定位籃球場上每隻螞蟻的正確位置。


在顯微鏡的世界裡, 解析度和視野廣度本是兩個極端,想要用一種技術達成兩種目標,必須找到非比尋常的解決之道。首先,「單分子定位顯微術」(single moleculelocalization microscopy)具有數十奈米等級的空間解析度,得以鑑別相距約20 奈米的分子,恰好符合神經生物學家對解析度的要求。再者,近年相當熱門的「層光顯微術」(light-sheet microscopy)能看得又深又清楚,快速取得大範圍樣品的影像,重建果蠅大腦完整的三維影像。


研究團隊使用生物組織澄清技術把果蠅腦變透明,再以「層光顯微術」輔以「單分子定位顯微術」掃描透明大腦,即可在短時間內偵測大腦內的個別分子位置,稱為「透化層光定位顯微鏡」。


看見記憶、解密大腦疾病


有了既定的策略,抽象的概念立刻轉化為一個跨界、甚至跨國的技術整合問題。陳壁彰與江安世把這座特殊顯微物鏡整合入實驗室既有的「掃描式貝色層光顯微鏡」(scanning Bessel beam light-sheet icroscope),建構出針對透明化樣品最佳化的超解析顯微鏡,並應用日本東京大學化學生物學教授浦野泰照的團隊研發的新型閃爍螢光染劑HMSiR 標定腦內分子,讓參與大腦記憶生成的分子都發出清晰且明亮的光訊號。


透化層光定位顯微鏡可定位果蠅大腦的所有蛋白質分子,並在一天內完成全腦攝影,期間僅需移動樣品四次,大幅降低機械移動造成的誤差與後續影像處理的複雜性。2019年初,新的顯微技術成功解構果蠅全腦的多巴胺神經網路,「看見」記憶蛋白在特定神經細胞突觸上的新生,成果隨後於10 月刊登在《自然通訊》(Nature Communications)。


研究團隊發現, 果蠅進行記憶訓練後, 只有特定的神經突觸會增加囊泡單胺運轉蛋白質(vesicular monoaminetransporter,與記憶相關的傳遞物質)表現,顯示這些神經在記憶過程可能肩負重大功能。藉由類似的實驗,神經科學家可以釐清神經變化和特定腦部活動的關聯,進一步理解神經在腦部記憶生成的機制以及神經可塑性(placiticity)的變化。也許不遠的未來,新的顯微技術可以觀察生物學習當下發生的每一個細微腦部變化,解開人類的學習歷程。


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