电子显微镜下的小鼠脑组织图像
近日，在一场美国神经科学学会（Society for Neuroscience）会议上，总共大约3万名参会者中就有近5000人涌入一个礼堂，观看美国哈佛大学神经学家Jeff Lichtman的研究成果——一些盐颗粒大小的小鼠大脑组织块的结构。当它们被放在投影屏幕上并被Lichtman不断放大直至填满了投影屏幕后， 一些圆柱体状的组织以史无前例的清晰度被呈现了出来： 680条神经纤维，79个树突，以及774个神经突触，通过这些结点，化学信号从一个神经元传到另一个神经元。
这块被展示的大脑切片只占小鼠大脑的十亿分之一，而在几年前，对细节如此精确的描述还是不可想象的。但是近年来，高分辨率全自动化电子显微镜技术的不断发展，为Lichtman团队及其他许多研究人员“开启了一个新纪元”，为Lichtman提供资金支持的马里兰州贝塞斯达市美国国家神经疾病和中风研究所（NINDS）项目主管Yuan Liu表示，研究人员可以利用这项技术在单个神经突触水平上研究大脑神经回路。
在Liu看来，Lichtman的发言是本次会议中非常重要的一部分，因为这次报告向我们展示了有朝一日这些新技术将帮助美国总统奥巴马提出的极具争议的“大脑计划”得以实现。大脑计划”旨在通过创新的神经技术加强对人脑的认识，并绘制出人脑结构和活动图谱。Liu指出，“我们不能将所有的资金都用在技术的开发上”，但是Lichtman的研究确实让我们看到了投资的价值”。
在过去的几个月里，Lichtman对成千上万个厚约30纳米的小鼠大脑组织切片进行了组合并从中获得了极为复杂的数据，对此有些人感到担忧。纽约冷泉港实验室的神经系统科学家Partha Mitra表示，虽然Lichtman的研究产生了100太字节的数据和一些漂亮的图像，但是却没有让我们重新认识人类大脑的复杂性是如何组织而成的，他说：“在目前的水平简单地描述神经元回路对于彻底弄清大脑是远远不够的。”
但是，作为最早开始绘制神经回路详情图的学者之一，Lichtman听到的这类怀疑多年来从未间断过。2007年，他和同事推出了一项名为脑彩虹（Brainbow）的大脑成像技术，该技术通过使用荧光蛋白与大脑内部的神经元的结合，从而可对神经细胞进行区分，帮助科学家理解大脑的运作。虽然脑彩虹有助于绘制外围系统的连接，但这项技术的不足之处就是无法区分出中枢神经系统（central nervous system, CNS）中紧密聚集并重叠的神经元。今年推出的新版脑彩虹引入了更多的颜色，能够突显出细胞膜，并且还使用来自于不同物种的荧光蛋白以更好地标记抗体。Lichtman 预测他们最终会解开CNS神经连接体的谜团。但他表示，使用电子显微镜仍然是目前追踪CNS神经元活动的最有效手段。
Lichtman团队的博士后Bobby Kasthuri说，在突触水平上描绘大脑，分辨率是核磁共振功能成像扫描（fMRI）的1万亿倍，因此在很多人看来，这是一件几近疯狂的事。但Lichtman指出，电子显微镜新技术对所给出的大脑详细情况是具有启发性的。马萨诸塞州布兰代斯大学神经科学家Eve Marder补充说：“例如，脑皮层图的一个明显进展就是，我们能够基于轴突和树突相交的位置推断出哪些结构是突触。还可以通过这些细节形成一个清晰的框架，而不再停留于凭空想象阶段。”
就在一些神经科学家为Lichtman图像的优劣争论不休时，新兴技术的出现，引发了研究者们的兴趣。斯坦福大学的神经系统科学家Karl Deisseroth是光遗传学和CLARITY技术的开创者。光遗传学是一种用途广泛的技术，能使神经元对光做出反应；而CLARITY是一种能使大脑组织变透明的技术。在Deisseroth旁边的显示屏幕上，一些处于激发状态的神经元在荧光屏上不停地闪烁，向众人展示着Deisseroth最新的、尚未发表的研究成果。
此外，SWIFT容积成像（SWIFT-volume imaging）技术能够捕捉这些动物体内大量神经回路的活动。为了更好地观察神经元的活动，研究者们在啮齿动物的头骨上钻了一个孔，并使用一种在新光学技术与计算机技术出现的背景之下应运而生的显微镜，对大量神经元的放电模式进行三维成像和分析；Deisseroth实验室的研究生Logan Grosenick指出，在显微镜和计算技术的帮助下，研究者能绘制大规模神经元的影像并对其进行分析，一次成像就可以拍摄1000多个神经元细胞。甚至实验动物在球上玩耍或在虚拟环境中完成不同的任务时，其神经活动也能同时被记录下来。
斑马鱼的躯体几乎透明，透过躯体可以看到斑马鱼的神经细胞，因此以斑马鱼为实验对象时，该技术也能在鱼游动或进行其他活动时监控其单个神经元的活动。剑桥市麻省理工学院的神经系统科学家兼工程师Mehmet Fatih Yanik说，该技术有望在主要大脑结构中实时追踪那些已知能影响行为的活动。并且他还认为这项技术很快就会被其他实验室所采纳。
无论是否能够得到批准，人们对新技术的热情是显而易见的。Kasthuri就说过“我永远都不会停止这项工作。我将会试图说服每一个人，让他们相信这项技术。同样地，那些聚集在Deisseroth宣传海报周围的年轻研究者们也感到兴奋不已。
