近日,，國際著名雜志《自然—方法學(xué)》Nature Methods雜志刊登了美國霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所、韓國科學(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)，實現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡下快速準(zhǔn)確重建哺乳動物大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，為了解大腦功能打開了新的篇章,。
來自美國霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所的Jeffrey C Magee博士和韓國科學(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,。
大腦是由無數(shù)神經(jīng)元組成的信息計算和傳導(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，雖然神經(jīng)科學(xué)家發(fā)明了各種技術(shù)對突觸進(jìn)行定位,，以確定神經(jīng)元之間的連接,，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建仍是一項非常耗時和耗人力的工作，因為目前的技術(shù)要借助于復(fù)雜的電子顯微成像才能對突觸進(jìn)行準(zhǔn)確定位,。比如線蟲總共只有302個神經(jīng)元,，但用電子顯微鏡重建其整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻花了10年以上的時間，而人類大腦有多達(dá)1000億個神經(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)家夢寐以求的技術(shù),。
2008年，來自斯坦福大學(xué)的華人科學(xué)家沈康（Kang shen）和美國洛克菲勒大學(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),，可實現(xiàn)對活體神經(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拆成兩個組件,，分離后的組件不具發(fā)光功能,。沈康等通過在兩組神經(jīng)元中分別表達(dá)GFP的兩個組件的方法，來檢測神經(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，GFP的兩個組件在突觸部位會自動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中清晰地顯示出來,。如果兩組神經(jīng)元相距很遠(yuǎn),，則不會產(chǎn)生熒光。GRASP技術(shù)具有快速,、準(zhǔn)確,、高空間分辨率等特點，被廣泛應(yīng)用于線蟲和果蠅研究中,，但用于哺乳動物大腦檢測還受到一定的限制,。
在新文章中，研究人員對攜帶GFP組件的載體進(jìn)行了改造,，開發(fā)出了哺乳動物GRASP(mGRASP)技術(shù),。通過這一新技術(shù)，研究人員實現(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)可自動將多個視場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,，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,，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.
