华人科学家发明出一项研究大脑的新技术

顾汉现

华人科学家发明出一项研究大脑的新技术

日期: 2010-07-28

美国斯坦福大学神经生物学家李凌，最近发明了一种对单个神经元细胞及突触进行体内标识的技术,  并利用此技术成功地拍摄出老鼠体内单个神经元细胞及其突触分布的三维照片。

李凌博士介绍说,  这种三维照片可以显示转基因老鼠大脑的不同区域在不同发育阶段的各种神经元及其突触分布形式，这将使人类能够了解大脑神经网络发育的详尽信息，有助于对神经网络中信息流的传递规律进行深入研究。

利用这种技术,  人们还能够直接地、实时地观测活体老鼠大脑中的细胞,  包括观察未分化的脑细胞是如何发育为单个的复杂神经细胞，然后形成复杂的神经网络。这项发明为神经生物学研究提供了一个新的技术平台,  是一项基础性的突破，对于破解人类大脑之迷有着极其重大的意义。

破解人类大脑之迷是本世纪最重要的科学研究方向之一。人类大脑中的神经网络非常复杂，成百上千亿个神经元细胞之间通过突触来相互通讯,  从而使信息在神经网络中进行传递，并最终导致各种复杂的思维活动。人们对研究信息流是如何在神经网络中进行传递的,  有着极大的兴趣。现代神经生物学的一个重要课题就是破解哺乳动物包括人类的极度复杂的神经网络。神经系统中神经元细胞功能和结构上的多样性，神经回路的高度复杂性对这个当代神经生物学的关键性问题提出了极大的挑战。这一方向的研究成果也必将对人工智能的研发有着极大的指导意义。

目前的神经生物学标识方法很难在动物体内跟踪标识单个或者少量的神经元细胞，而只能同时标识所有或者大量的神经元细胞。这导致我们无法清晰地识别单个神经元细胞之间的精确连  接，无从准确判断神经网络的形成，更无从研究信息流在神经网络中的传递规律。



李凌博士简介

李凌博士曾经就职于麻省理工学院（MIT）怀特海（Whitehead）研究所。她曾在《科学》（Science）杂志上发表学术论文，首次揭示了  microRNA的功能。该成果被评为2004年全球十大科学研究成果之一。  2005年李凌博士加入斯坦福大学骆利群实验室，开始了对哺乳动物神经网络发育的研究。在此期间，李凌及其同事发现,  目前的神经网络研究极大地受限于神经细胞标识技术，因此致力于开发单个神经元细胞的标记方法。神经生物学标识方法有很多种，李凌博士通过分析认为转基因方法有可能获得很高的分辨率。经过三年多反复的筛选和实验，李凌博士终于找到一组外源基因。当在老鼠体内插入这些基因片段后，老鼠体内少数的神经元细胞便会发出红色荧光，相应的突触则会发出绿色荧光。这些单个的神经元细胞及突触便一目了然地呈现在显微镜下。李凌博士还在这项技术中加入了荧光强弱调控功能。只要让老鼠饮用某种“饮料”，荧光便可消失或重现。

李凌博士已经利用这种具有高分辨率的技术对老鼠小脑进行了初步研究，结果显示老鼠小脑中的颗粒细胞（granule  cell）的神经突触密度比人们以前的估计高出一倍，这意味着老鼠小脑中的神经网络比以前的估计还要复杂。由于看好此项技术的应用前景，世界著名的生物制药公司Genentech已经向斯坦福大学购买了此项技术专利，并已开始将其用于对人类神经系统疾病的研究及对相关药物的开发。