En ny genomgång av flughjärnan gör att vem som helst kan susa förbi neuroner och besöka någon av de 40 miljoner synapser där neuroner berör neuroner. Det är en superupplösningsvy av de komplexa nätverksanslutningarna i insektens hjärna som ligger bakom beteenden som sträcker sig från matning till parning.

Vad som saknar motstycke, dock, är att denna 3D-karta över hela flughjärnan, som visar detaljer så små som 60 nanometer i diameter, fångades på mindre än tre dagar.

Även om detaljnivån inte är riktigt lika bra som den som erhålls med ett elektronmikroskop, ansträngningar att helt kartlägga neuronerna och synapserna i flughjärnan med EM har tagit 10 år och ansträngningarna från dussintals människor. Den nya kartan erhölls tusen gånger snabbare genom att kombinera två toppmoderna tekniker, expansionsmikroskopi och gitterljusarkmikroskopi.

En finskalig karta över hjärnans kompletta neurala nätverk – den mänskliga hjärnan men också musens och flugans – har varit en dröm för neuroforskare i decennier. Med det, de kunde spåra sambanden mellan neuroner för att förstå hur hjärnan fattar beslut. Och genom att räkna synapser, neuroforskare kunde bedöma styrkan hos neurala anslutningar, som de som ansvarar för minnet.

Den nya och snabbare avbildningstekniken för hela hjärnan kommer att hjälpa forskare att reta ut flugans neurala kretsar som i slutändan också ligger till grund för den mänskliga hjärnans funktion. Och det fungerar lika bra för att kartlägga neurala kretsar i små bitar av mushjärnan, och potentiellt den mänskliga hjärnan.

"Du kan spendera år och år på att få en EM-bild av en flughjärna, sa nobelpristagaren Eric Betzig, som uppfann gitterljusarkmikroskopet vid Janelia Research Campus vid Howard Hughes Medical Institute och nu är professor i molekylär- och cellbiologi och i fysik vid University of California, Berkeley. "Jag kan se att vi kommer till punkten att avbilda minst 10 flughjärnor per dag."

Sådan hastighet och upplösning kommer att låta forskare ställa nya frågor, han sa, som hur hjärnor skiljer sig mellan män och kvinnor, eller hur hjärnkretsar varierar mellan flugor av samma typ.

"Vi har passerat en tröskel när det gäller bildprestanda, " sa Edward Boyden från Massachusetts Institute of Technology, som uppfann expansionsmikroskopi för fem år sedan. "Det är därför vi är så exalterade. Vi skannar inte bara inkrementellt mer hjärnvävnad, vi skannar hela hjärnor."

Betzig, Boyden och deras team kommer att publicera sina resultat den här veckan i tidskriften Vetenskap .

Kombinera expansion och ljusarkmikroskopi

Den nya hjärnskanningstekniken kom till efter att Boyden bad Betzigs hjälp med att kombinera expansionsmikroskopi med Betzigs senaste höghastighetsbildteknik, gitterljusarkmikroskopi. Expansionsmikroskopi (ExM) innebär att vävnad fixeras och sedan expanderas som en ballong samtidigt som de relativa positionerna för inre strukturer hålls oförändrade. Den använder en polyakrylamidgel som den i blöjor, som sväller när den flyttas från salt till rent vatten. Lattice light-sheet microscopy (LLSM) använder högfokuserade ljusstrålar för att snabbt sammanställa en 3D-bild av ett prov en tunn skiva i taget.

"När de kom till mig första gången 2016, Jag var fortfarande skeptiker; Jag var orolig, först, om du skulle kunna expandera något sånt och inte ha det förvrängt som en galning, sa Betzig. Och då var jag rädd att, medan proverna är genomskinliga, de skulle fortfarande förvränga ljuset som en påse med kulor."

Jobbar på Janelia campus, de kombinerade lagen, ledd av postdoktorerna Ruixuan Gao och Shoh Asano från Boydens MIT-labb och Srigokul Upadhyayula från Harvard Medical School, fann att efter att ha expanderat hjärnvävnaden med en faktor fyra, till en volym 64 gånger normal, det var nästan lika klart som vatten och oförvridet.

"Jag blev chockad över hur perfekt röjningen var för att göra den otroligt optiskt enhetlig, " han sa.

Som ett resultat, gitterljusarkmikroskopet kunde producera en mycket detaljerad och exakt bild av hjärnan på nivån av enstaka synapser:en upplösning på cirka 60 nanometer, vilket bara är en tiondel av upplösningen för EM. Flerfärgsavbildningen tog bara 62,5 timmar.

Teamen testade ExLLSM-tekniken inte bara på hela fruktflugans hjärna, men också på en bit av mushjärna som spänner över den millimetertjocka cortex, med liknande resultat. De kunde räkna alla synapser i flughjärnan, totalt cirka 40 miljoner. Den mänskliga hjärnan, med 80 miljarder neuroner och kanske 7, 000 synapser per neuron, skulle vara mycket mer utmanande.

Betzig förutspår, dock, att med förbättringar av expansionsmikroskopi – vissa forskare har sträckt ut vävnad 25 gånger i varje riktning – kan de kombinerade teknikerna uppnå resultat nästan lika bra som EM när det gäller att kartlägga alla neurala förbindelser i hjärnan, ett fält som kallas connectomics.

"Om du kunde få det att fungera med 10 gånger eller kanske 15 gånger expansion, du kan förmodligen lägga mycket av EM i konkurs, " sa han. "Det kan vara tillräckligt bra att göra den täta neurala spårning EM kan göra men mycket mycket snabbare och billigare. Jag tror att de måste titta på ryggen. Den är inte där än, men enligt mig, potentialen finns."

Fluorescensmikroskopi

Båda mikroskopteknikerna involverar märkning av proteiner i vävnaden med fluorescerande markörer. Vid expansionsmikroskopi, vävnaden infunderas sedan med gelén och markörerna tvärbinds till gelstrukturen. Då smälts allt protein bort, lämnar vad Betzig kallar en "fluorescerande fantom". Ändring av saltkoncentrationen i mediet får gelén att svälla, dra markörerna med den. Det blir mest vatten, vilket förklarar dess tydlighet.

Boyden använde ursprungligen konfokal ljusmikroskopi för att avbilda den expanderade vävnaden, men han hoppades att LLSM skulle avbilda provet snabbare och med ännu bättre upplösning, samtidigt som man övervinner den fullständiga förlusten av fluorescenssignal som uppstår vid avbildning djupt inuti tjocka prover på konventionellt sätt. LLSM skannar ett ljusark så smalt som 400 nanometer, plan för plan genom provet, avbildning av fluorescensen från markörerna i varje upplyst plan

Varje komplett skanning, uppgår till nästan 10 terabyte data, sätts sedan ihop av dator till en 3D-bild som kan navigeras som ett videospel. Den tidskrävande monteringen övervakades av Janelias datavetare Stefan Saalfeld och Igor Pisarev, och sedan analyseras och visualiseras av Upadhyayula, som snart kommer att öppna ett toppmodernt bildlab vid UC Berkeley.

Genom att fästa fluorescerande markörer på någon av de 10, 000 proteiner i hjärnan, det borde vara möjligt att kartlägga de yttre membranen av neuroner och andra celler, synapserna där en neuron ansluter till en annan, de inre avdelningarna av hjärnceller, och mycket mer.

Det finns begränsningar, dock. Som med alla typer av superupplösningsfluorescensmikroskopi, Betzig sa, det kan vara svårt att dekorera proteiner med tillräckligt med lysrör för att se dem tydligt i hög upplösning. Och eftersom expansionsmikroskopi kräver många bearbetningssteg, det finns fortfarande potential för att artefakter ska introduceras. På grund av detta, han sa, "vi arbetade mycket hårt för att validera vad vi har gjort, och andra skulle vara kloka att göra detsamma."