Science：人类“大脑计划”研究获重大突破！SCAPE技术有望在3D模式下观察分析人类大脑神经活性

2020年4月15日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，一项刊登在国际杂志Science上的研究报告中，来自美国国家神经性疾病和卒中研究中心等机构的科学家们通过研究开发了一种创新性的工具，其能帮助研究人员在3D模式下观察并分析大脑的神经活性。

图片来源：sagaciousnewsnetwork.com

由于受到现有工具的限制，如今科学家们仍然无法有效研究神经系统中的网络构架，并一次性观察大脑中大量的脑细胞；这项研究中，研究人员开发了一种名为SCAPE显微镜的超快速、3D成像技术，其能帮助研究人员对更大体积的组织进行观察，同时对活细胞中精细网络的破坏性也小很多。

研究者Edmund Talley博士表示，这项研究中我们展示了如何利用“大脑计划”（BRAIN Initiative）技术的强大力量来帮助研究人类大脑如何解析信息来产生机体的感觉、思维和行动。SCAPE显微镜能帮助科学家们研究一次性需要实时观察的大体积组织样本，由于细胞和组织能保持完好无损的状态并在三维空间内高速观察，因此后期研究人员还需要探索许多此前无法进行研究的新问题。

嗅觉上皮位于鼻腔深处，其由成千上万个神经细胞组成，每个神经细胞都含有能对特殊气味作出反应的单个特殊受体，利用单一简单的气味进行研究后，研究者发现，当我们闻到某种气味时，这些神经细胞的特定组合就会被激活，从而就会形成一种代码，并被大脑解读为特殊的气味；此前研究人员只能在任何时候对该区域的有限部分进行研究，他们所使用的方法会损伤所研究的组织，从而就很难得出明确的研究结论。

实际上，利用SCAPE技术就能更好地对嗅觉上皮细胞进行研究，因为负责检测气味的神经细胞会随机分布，这就意味着尽可能多地对细胞进行观察来得出关于其活性模式的结论是非常重要的。文章中，研究人员利用SCAPE技术就能一次性分析研究数千个神经细胞，这些神经细胞会对不同气味组合产生反应，比如“杏仁味”、“茉莉花香味”和“柑橘味”等，然而，尽管当研究者将组织单独暴露在气味中时，他们能够观察到当前理论所预测的简单模式，但当将两种或三种气味混合在一起时，他们就会看到一种要比预期更为复杂的交互式神经细胞反应系统。

研究者Stuart Firestein教授说道，我们预期对混合气味的反应看起来很像对原始气味反应的总和，然而相反的是，我们观察到了非常复杂的相互作用，其中第二种气味会增强神经元对第一种气味的反应，或者在其它情况下，其会抑制大脑神经元的反应。相关研究结果表明，这些到达大脑的特殊信号或会被鼻腔中这些受体的相互作用所扭曲，这就会改变气味混合物的代码，使其转变成为与各部分总和不同的感知代码；由于我们周围几乎所有的气味都是复杂的混合物，这种机制或许就能够解释机体如何有效区分出不同的气味，同时也能帮助解释为何我们常常难以分辨出混合气味中的单独成分。基于本文研究结果，SCAPE技术就提供了一个很大的优势，其能帮助研究人员一次性对大量区域进行观察研究，这样就能够发现很多重要的线索和事件，从而就有望加速研究人员探索人类嗅觉研究领域的更多问题。

研究者指出，如今他们就能深入研究嗅觉系统所编码的复杂嗅觉组合，同时还能阐明大脑最终是如何解读这些信号的；本文研究的意义也远远超越了目前研究人员对大脑感知气味的理解，研究者有望寻找到了一种潜在的新方法来筛选影响嗅觉系统中发挥作用的受体类型的候选药物。研究者Susan Sullivan说道，本文研究对于科学家们理解大脑是如何解码气味混合物，以及阐明气味/受体相互作用的复杂性具有革命性的意义，此外，包括阿尔兹海默病和帕金森疾病等神经性疾病，及涵盖COVID-19在内的全身性疾病而言，患者也常常会以嗅觉丧失为早期症状，理解诱发这种症状改变的机制或能帮助研究者开发一种早期检测系统，在患者出现严重症状之前对其有效检测。

诸如本文此类研究需要研究人员长时间收集1万多个细胞的信息，因此研究人员收集到的数据量会非常巨大，他们就需要开发新型分析方法，甚至还需要利用庞大的计算机来进行计算；最后研究者Hillman博士表示，如今我们一直在不断改进并完善SCAPE技术，跨学科领域的联合研究对于进一步扩大该技术的应用至关重要，目前研究人员正在努力与尽可能多的实验室分享SCAPE系统，“大脑计划”研究的目标之一就是加速科学家们对创新性技术的开发和应用，以便深入研究人类大脑的神经系统，如今SCAPE技术的问世或能进一步加速“大脑计划”的研究进展。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Lu Xu, Wenze Li, Venkatakaushik Voleti, et al. Widespread receptor-driven modulation in peripheral olfactory coding, Science  10 Apr 2020 doi:10.1126/science.aaz5390