科学家揭示大脑连接的真实结构，解决了树突棘保存难题

该论文大脑是需要神经元、神经元集群、多个脑区相互协作的一个复杂系统。树突棘在其中扮演了重要的作用，它在神经元的树突分支上，与其他神经元的轴突末梢形成突触，接受大多数兴奋性输入。

树突棘是了解神经回路发育以及生理病理变化的良好工具，然而它的体积很小并且难以保存，因此很多科学家们都致力于研究该如何保存树突棘。

近期，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）科学家结合高压手段，用快速冻结法实现了小块脑组织的保存，从而解决了树突棘保存困难这一难题。

与以往的化学固定法相比，他们发现这种保存方法得到的树突棘长度和头部的大小没有变化，树突棘的颈部变细 30％ 以上。

图 | 论文（来源：eLife）

树突棘（dendritic spine）在数量和形态上都容易发生改变。在脑发育期，树突棘数量不断增加，这与智力的发育有关；智障儿童脑内树突棘数量相对稀少，形态相对细长。

树突棘大小和形状还与其功能密切相关，树突棘头部越大，其突触和受体的数量和突触强度就越大。

多年以来，人类对树突棘形态和功能的了解来自于使用电子和光学显微镜进行超微结构分析，这些观察手段一般都使用化学固定法来固定树突棘。

在本研究中，科学家们用电子显微镜比较了用快速冻结法和化学固定法处理的小鼠大脑，他们发现 冷冻法不会改变树突棘颈部长度和头部体积。

与化学固定的组织相比，在冷冻固定的组织中，树突棘颈部更窄，这可能对突触影响其余神经元具有重要作用。

“这项研究的目的是更好地了解树突棘的天然超微结构，并研究化学固定是否改变了树突棘的形态。” 参与该研究的科学家卡尔・彼得森（Carl Petersen）说，“我们发现，化学固定不会改变树突棘头部的体积和颈部的长度，但是与冷冻固定的组织相比，化学固定组织的颈部直径增加了 42％。”

图 | 显微镜观察冷冻和化学固定后树突棘头部大小，及颈长和颈宽（来源：eLife）

使用两种方法处理之后，研究团队研究了树突棘头部体积、颈部宽度和长度之间的相关性。他们发现用化学固定法处理后，树突棘在头部体积和颈部直径之间存在弱相关性。

但是这一发现不适用于冷冻固定法处理。彼得森表示：“我们发现冷冻固定的树突棘头部体积和颈部长度之间没有相关性，颈部长度和颈部直径之间也没有相关性。” 由此，他们得出了一个结论，“快速冻结法得到的树突棘颈部几何形状与头部的体积无关。”

图 | 化学固定，但不是冷冻固定，棘显示颈部宽度和头部体积之间的相关性（来源：eLife）

最后，研究人员使用欧姆定律和公式 R = ρ× 树突棘颈长 / 树突棘颈部横断面面积，来测量不同形态参数下树突棘的电阻将如何变化，他们发现阻力与树突棘颈横断面面积之间存在明显的相关性，也就是横截面积越大，阻力越小。

图 | 与化学固定的皮层相比，冷冻固定的皮层中计算出的树突棘颈部阻力更高（来源：eLife）

这项研究的目的是更好地了解树突棘的天然超微结构，并研究化学固定是否改变了树突棘的形态。多年来，这也一直是神经元连通性和可塑性方面的研究焦点。

2015 年，该论文的共同作者娜塔莉亚・科罗戈德（Natalya Korogod）使用冷冻固定方法研究成年小鼠大脑皮层的神经纤维，并将其与标准的化学固定方法进行了比较，认为冷冻固定成年小鼠脑组织可以更真实地表示大脑的超微结构。

此次研究团队使用了相同的保存方法比较了树突棘的形态，他们发现树突棘颈部的几何形状与头部的体积无关。

这项研究受到了 1965 年安东・范・哈雷维尔德（Anton Van Harreveld）的一篇文章《冷冻替代法研究中枢神经组织细胞外空间》的启发，它指出冷冻固定为何在树突棘水平上能更真实地显示神经元结构。

但是目前的研究中还存在一些弊端，比如冷冻无法实现大量神经元组织保存。因此不可否认的是，化学固定仍然是保存大量神经组织的最佳方法。

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专业支持：Bao；责编：多加

参考：

https://elifesciences.org/articles/56384