新X射线显微镜技术助力大脑地图精确绘制

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神经科学的重大任务之一是绘制精确的大脑地图，包括所有的神经元以及它们之间的连接。大脑地图（神经连接体）可协助研究人员阐明细胞集合是如何协同产生思想、记忆、行为以及其他功能的。

美国哈佛医学院、波士顿儿童医院和欧洲同步辐射设备（ESRF）的研究团队9月14日在《自然神经科学》杂志发文称，他们利用X射线全息纳米断层扫描技术（XNH）在高分辨率下对小鼠大脑和果蝇神经组织进行了成像。这也许能加速神经回路及大脑的绘制工作进程。

此外，结合人工智能驱动的图像分析，研究人员还重建了密集的3D神经回路，对神经元进行了全面分类，并在果蝇中追踪到了从肌肉到中枢神经系统的单个神经元。

论文作者、波士顿儿童医院的神经学助理教授Wei-Chung Allen Lee说：“我们认为，这将为理解大脑开辟新途径，并帮助人们了解神经紊乱、影响大脑结构的疾病。”

神经连接体研究是一个巨大的挑战，因为人类大脑大约有1000亿个神经元，100万亿个神经连接。之前，科学家们已经在动物模型中取得了一定进展：利用电子显微镜对果蝇大脑的连续切片进行成像，再将图像拼接起来进行分析。但这种方法需要耗费大量的时间和资源。为了开发新的成像方式，Lee等与专攻X射线显微镜和神经成像的Pacureanu实验室合作，开始尝试将XNH应用于神经组织。

XNH的工作原理是，将旋转的组织样本暴露在接近光速的高能X射线下，根据样品引起的光束的微妙相移变化生成图像。相比标准X射线成像，XNH的灵敏度更高。此外，通过与低温成像技术相结合，XNH还能保护标本免受X射线能量的破坏。

为了对XNH生成的图像进行解释，研究小组利用了深度学习技术。作为原理证明，研究人员扫描了小鼠和果蝇的神经组织，重建了分辨率达87纳米左右的3D图像。这足以让研究人员全面可视化神经元并追踪单个神经突。重要的是，重建过程只需几天时间就能完成。

论文作者、ESRF科学家Alexandra Pacureanu表示：“这项技术以前也曾被应用于神经组织，但从未达到这次的高质量和高分辨率，我们已经证明，我们能够获取足够分辨率用于追踪神经突，并将研究方向转向连接体。”

目前，XNH的分辨率还不足以可视化突触，研究人员尚需借助电子显微镜数据进行比对分析。研究人员正致力于进一步优化XNH在生物组织成像中的应用。