我们的大脑拥有约860亿个神经细胞(神经元),这些细胞不断地将电信号从大脑中的一个区域输送到另一个区域。这些电信号在脑白质当中穿行,从而促成了大脑的所有功能。揭秘神经元之间类似于高速公路网般的纤维组织一直是神经科学领域的一大挑战。目前绘制这种细胞级神经回路的方法还仅仅局限于动物研究,或需要高度专业化的设备来获取和处理数据。

近日,耶路撒冷希伯来大学Edmond&Lily Safra脑科学中心(ELSC)的神经科学家Aviv Mezer教授和Roey Schurr博士研发了一种绘制和可视化这些神经纤维的新方法,并已发表在权威学术期刊《科学》上。他们所采用的技术实际上在约140年前就已经问世,但却从未被用于脑白质的纤维结构研究。

Mezer教授(左)和Schurr博士(右)

长期以来,科学家们一直都使用19世纪80年代德国医学生Franz Nissl发明的尼氏染色法来研究神经元,彻底改变了人们对大脑皮层(大脑最外部的一层灰质层)的认知。希伯来大学团队则首次利用尼氏染色法来研究白质中的纤维结构。

白质主要由神经纤维和神经胶质细胞组成,而这些神经胶质细胞长久以来一直被忽略。当博士生Schurr加入Mezer教授的实验室时,他对切片染色的脑组织图片进行了观察。Schurr回忆道:“课本上只有关于白质的文字描述,但我非常好奇它到底是什么样子的。”让Schurr感到惊讶的是,他注意到胶质细胞往往会排成几短列,而且这种排列似乎与局部神经纤维一致。Schurr说道:“我们查阅了大量文献,发现1992年的一篇论文已经对胶质细胞的组织结构进行了描述,但这个发现在当时并没有引起行业的关注。”

Nissl-ST图(由Schurr博士提供)

研究人员意识到,通过使用简单的图像计算处理工具,他们就能够利用细胞的排列规律来发现白质的结构。Mezer教授说道:“当我们首次用这种技术分析染色的大脑切片时非常惊讶。染色切片图显示,白质的外观结构似乎具有某种规律性。我们运用计算工具构建出了彩色的白质纤维精妙的结构,而之前从未有人发现过这些结构。我们马上认识到,我们揭开了关于白质的一个重要谜团。”

希伯来大学的研究人员将这一可以用在任何大脑尼氏染色切片上的技术称为Nissl-ST。尼氏染色法是脑科学研究领域中最常用的染色法,所以在世界各地都可以获得相关信息,包括数字化的数据集和高分辨率染色脑切片的开源图集。

Mezer教授总结道:“Nissl-ST技术有着巨大的潜力,我们可以利用这项技术来研究大脑发育和衰老过程中脑白质的情况,以及一些影响白质状态的病变,例如神经退化和精神分裂症。”

希伯来大学Edmond&Lily Safra脑科学中心(ELSC)是领先的神经科学研究机构。ELSC的目标是实现认知学、生物学和计算神经科学领域间的跨领域理论和实验的结合,引领大脑研究的创新发展。

关于耶路撒冷希伯来大学

耶路撒冷希伯来大学是以色列领先的学术和科研机构,跻身世界百强大学之列,共有来自90多个国家的2.5万名学生。1918年,阿尔伯特·爱因斯坦和西格蒙德·弗洛伊德等著名学者创立了希伯来大学。迄今为止,希伯来大学教授和校友共获得8项诺贝尔奖,1项菲尔兹奖和1项阿贝尔奖。