近日,，國(guó)際著名雜志《自然—方法學(xué)》Nature Methods雜志刊登了美國(guó)霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所,、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院及浙江大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員的最新研究成果“mGRASP enables mapping mammalian synaptic connectivity with light microscopy。”,，研究人員合作開發(fā)出了一種稱為mGRASP的新技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡下快速準(zhǔn)確重建哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為了解大腦功能打開了新的篇章,。
來(lái)自美國(guó)霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所的Jeffrey C Magee博士和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的Jinhyun Kim博士為這篇文章的共同通訊作者,。來(lái)自浙江大學(xué)求是高等研究院的趙挺副教授與Jinhyun Kim博士為這篇文章的共同第一作者。
大腦是由無(wú)數(shù)神經(jīng)元組成的信息計(jì)算和傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò),，要了解大腦的運(yùn)行機(jī)制,，我們必須了解大腦中的基本計(jì)算單位—神經(jīng)元—是如何相互連接的。神經(jīng)元之間的連接部位稱為“突觸”,。自上世紀(jì)以來(lái),，雖然神經(jīng)科學(xué)家發(fā)明了各種技術(shù)對(duì)突觸進(jìn)行定位，以確定神經(jīng)元之間的連接,，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建仍是一項(xiàng)非常耗時(shí)和耗人力的工作,，因?yàn)槟壳暗募夹g(shù)要借助于復(fù)雜的電子顯微成像才能對(duì)突觸進(jìn)行準(zhǔn)確定位。比如線蟲總共只有302個(gè)神經(jīng)元，但用電子顯微鏡重建其整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻花了10年以上的時(shí)間,，而人類大腦有多達(dá)1000億個(gè)神經(jīng)元,！因此快速的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建方法一直是神經(jīng)科學(xué)家夢(mèng)寐以求的技術(shù)。
2008年,，來(lái)自斯坦福大學(xué)的華人科學(xué)家沈康（Kang shen）和美國(guó)洛克菲勒大學(xué)的Cornelia I. Bargmann聯(lián)合開發(fā)了一種稱為GRASP（green fluorescent protein reconstitution across synaptic partners）的新技術(shù),，可實(shí)現(xiàn)對(duì)活體神經(jīng)系統(tǒng)中的突觸定位。相關(guān)研究成果發(fā)表在了當(dāng)年的《Neuron》雜志上,。
GRASP技術(shù)巧妙地利用了綠色熒光蛋白(GFP)標(biāo)記技術(shù),。GFP是一種在水母中發(fā)現(xiàn)的特殊蛋白,，吸收藍(lán)光后會(huì)發(fā)出綠色熒光,。GRASP技術(shù)將GFP的基因序列分割為兩部分，即將GFP拆成兩個(gè)組件,，分離后的組件不具發(fā)光功能,。沈康等通過(guò)在兩組神經(jīng)元中分別表達(dá)GFP的兩個(gè)組件的方法，來(lái)檢測(cè)神經(jīng)元間的距離,，是否形成了突觸連接,。當(dāng)兩組神經(jīng)元形成連接時(shí)，GFP的兩個(gè)組件在突觸部位會(huì)自動(dòng)組合形成完整的具有正常功能的GFP,。GFP受藍(lán)色激光照射后,，會(huì)產(chǎn)生綠色熒光，是原本透明的突觸結(jié)構(gòu)在黑暗的顯微鏡視場(chǎng)中清晰地顯示出來(lái),。如果兩組神經(jīng)元相距很遠(yuǎn),，則不會(huì)產(chǎn)生熒光。GRASP技術(shù)具有快速,、準(zhǔn)確,、高空間分辨率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于線蟲和果蠅研究中,，但用于哺乳動(dòng)物大腦檢測(cè)還受到一定的限制,。
在新文章中，研究人員對(duì)攜帶GFP組件的載體進(jìn)行了改造,，開發(fā)出了哺乳動(dòng)物GRASP(mGRASP)技術(shù),。通過(guò)這一新技術(shù)，研究人員實(shí)現(xiàn)了小鼠大腦中神經(jīng)元突觸的定位,。此外,，研究人員還將生物、化學(xué)技術(shù)與計(jì)算機(jī)生物圖像信息學(xué)技術(shù)相整合,，開發(fā)了一套完整的定量分析系統(tǒng),，利用這一系統(tǒng)可自動(dòng)將多個(gè)視場(chǎng)下的顯微鏡圖像拼接成包含完整神經(jīng)元的三維圖像，然后將圖像中神經(jīng)元的形態(tài)及其突觸提取出來(lái)，轉(zhuǎn)化為易于分析的數(shù)字模型,，從而使高通量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建成為可能,。
研究人員估計(jì)，有了這樣的技術(shù),，可以使原需幾十年的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建工作在幾個(gè)星期內(nèi)完成,。另外，該技術(shù)還可應(yīng)用于疾病機(jī)制的研究,，比如自閉癥和帕金森病等神經(jīng)疾病可能與神經(jīng)元連接異常相關(guān),，通過(guò)mGRASP可以觀察這些疾病下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了怎樣的變化，從而推斷其病理機(jī)制,。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nmeth.1784
PMC:
PMID:
mGRASP enables mapping mammalian synaptic connectivity with light microscopy
Jinhyun Kim,1, 2, 5 Ting Zhao,1, 3, 5 Ronald S Petralia,4 Yang Yu,1 Hanchuan Peng,1 Eugene Myers1 & Jeffrey C Magee1
The GFP reconstitution across synaptic partners (GRASP) technique, based on functional complementation between two nonfluorescent GFP fragments, can be used to detect the location of synapses quickly, accurately and with high spatial resolution. The method has been previously applied in the nematode and the fruit fly but requires substantial modification for use in the mammalian brain. We developed mammalian GRASP (mGRASP) by optimizing transmembrane split-GFP carriers for mammalian synapses. Using in silico protein design, we engineered chimeric synaptic mGRASP fragments that were efficiently delivered to synaptic locations and reconstituted GFP fluorescence in vivo. Furthermore, by integrating molecular and cellular approaches with a computational strategy for the three-dimensional reconstruction of neurons, we applied mGRASP to both long-range circuits and local microcircuits in the mouse hippocampus and thalamocortical regions, analyzing synaptic distribution in single neurons and in dendritic compartments.
