窥探神奇的大脑 | 从麻省理工到西湖,他准备怎么干

来源:公共事务部 发布时间:2020-05-08 作者:张弛、冯怡


未知总能激发好奇。在西湖大学生命科学学院的楼里,好奇于人脑这一未知领域的科学家有不少。

他们当中,有一位来自白俄罗斯的科学家。他不直接研究大脑,而是“发明”出看似普通却功效神奇的工具,帮助生物学家看清大脑。

他是Kiryl Piatkevich,西湖大学生命科学学院特聘研究员(PI)。他所负责的分子生物工程实验室,主要研发和设计尖端分子工具及显微成像技术,用于分析、控制和修复复杂的生物组织。

“如果脑科学家是在描摹大脑这幅画,我们所做的就是为他们提供画具和颜料。”Piatkevich说,他的实验室有两大“妙招”:一是放大;二是发光。


Kiryl Piatkevich,西湖大学生命科学学院PI

  • 在罗蒙诺索夫莫斯科国立大学获得硕士学位,同时从事有机金属、分析化学、物理化学和生物有机化学等的研究。

  • 在莫斯科国立大学和美国阿尔伯特爱因斯坦医学院进行联合博士培养,致力于创新小型哺乳动物活体成像的方法。

  • 在麻省理工学院Edward Boyden博士领导的合成神经生物学实验室从事博士后研究,在此期间利用合成生物学研发神经接口的新方法,并研发出了几种新的分子技术用于观察活体动物的神经元活动。


一碗会放大的“果冻”

在Piatkevich实验室一侧的操作台上,放着一些看似只是盛了水的培养皿。如果不是他特意强调,我们很容易忽略掉。

细细观察后,我们发现培养皿里好像有什么东西,戴上实验手套捞起来一看,是一块透明的“果冻”,摸起来滑滑的,质感很Q,但比果冻硬些。Piatkevich介绍,这是一种水凝胶,其重要特性是“吸水后能膨胀到原来的N倍”。


果冻状物体


听上去是不是很耳熟?其实,类似的材料在我们的日常生活中应用很广泛,比如尿不湿。但眼前的这种超强吸水材料,是Piatkevich用来“放大样品”的秘密武器。

将剥离出的大脑或者其他组织样品,例如果蝇的大脑,放进调配好的溶液中,通过改变一些条件,使得溶液变成透明的凝胶,最后加入水,含有样品的凝胶便吸水膨胀起来。随着凝胶吸水膨胀,内部的样品也随之放大。由于在膨胀前,加入了一些特殊的化学小分子,给样品穿上了一层“保护衣”,因此可以保证样品的内部结构不会受到外界条件改变的影响。

目前,Piatkevich实验室的膨胀技术可以做到将样品线性放大8倍多,而体积可以放大近700倍。

这种技术称之为膨胀显微镜(Expansion microscopy)。

此前,Piatkevich所在的美国麻省理工学院(MIT)Edward S. Boyden实验室就做过类似研究,而Piatkevich要做的是想更多办法,让这种吸水膨胀的聚合物达到更佳的放大效果。

看到这里,你可能会问,为什么要放大样品?用显微镜无法看清细胞内部细节吗?不能用传统的光学显微镜或者超分辨率显微镜吗?

事实上,传统光学显微镜由于光源的波长限制和分辨率极限,不能区分出间隔小于200纳米的物体。而先进的显微镜技术,虽然分辨率高,但硬件设备价格昂贵。而膨胀显微镜技术,可以帮助科学家利用常规的光学显微镜来进行神经细胞的高分辨观测。


一根会发光的“探针”

所谓“眼见为实,耳听为虚”。

Piatkevich执着于用眼睛去观察细胞的生命活动:“你有没有发现,很多科学研究都是通过‘观察’进行的,触觉、嗅觉、听觉都是用来辅助观察的。既然‘看’如此重要,那么让看不见的东西被看见,让看不清的东西被看清,对于研究微观领域的科学家来说至关重要。”

膨胀显微镜解决了“被看见”的问题,那么接下来就要解决如何“看清”?Piatkevich把目光投向了另一种技术——荧光探针。

科学词解

荧光探针是一种分子,其吸收特定波长的光,然后发射不同波长(通常是较长波长)的光,形成荧光团,主要用于研究生物样品。这些荧光团,可以附着在目标分子上,作为荧光显微分析的标记物。



大肠杆菌荧光实验


实验室的另一侧,正在进行这种研究。培养皿里的一个个小圆点,是Piatkevich利用大肠杆菌进行的荧光实验。

首先,将带有荧光分子的基因转入大肠杆菌,经过一段时间的培养和结合,观测这些大肠杆菌在荧光灯照射下亮度的呈现情况。通过观察和计算,筛选出表现较好的大肠杆菌,然后将其基因提取出来转入到小鼠体内,荧光分子随之附着在小鼠体内的某些离子上。

怎么观察?举个例子,不同的生理活动,对应的脑部钙离子浓度会所有不同。在显微镜下观察到,结合了荧光分子的钙离子会显示不同亮度,由此便可以研究与钙离子相关的生命活动。

那么,什么样的荧光分子才是理想的探针?“首先要有足够的亮度,这样易于观察;其次稳定性佳,这样能保证数据检测的持续性和有效性。”Piatkevich说。



亮度和稳定性,是荧光探针的两大重要特性。除了Piatkevich实验室所做的人工筛选,荧光分子自身也具备“自然选择进化”的能力。通常来说,分子的平均代谢周期为一周,经过几代进化之后,荧光探针会变得更亮、颜色更丰富。

“从这个层面上来说,我不像是一个科学家,反而更像是一个画家。”Piatkevich指着显微镜下五彩斑斓的生命活动,兴奋地说道。


条条大路通大脑


大脑,是人体中最神秘、最复杂的器官之一。数百年来,人们试图揭开大脑的奥秘,但我们对它的了解并不深入,对于包括阿兹海默症在内的很多常见脑部疾病的发病根源仍然知之甚少。

而令Piatkevich兴奋的是,针对大脑的研究,不仅有助于治疗疾病、研究人类行为认知,基于大脑活动的技术开发还能有更科幻、更广泛的应用,比如人工智能。

在能够胜任多种复杂任务的大脑面前,学科交叉似乎成了“解题”的必经之路。


Kiryl Piatkevich实验室


Piatkevich自己就是一位多学科背景的科学家——本科学的是化学,博士学的是生物技术与生物化学,后来又在美国MIT媒体实验室(Media Lab)从事科研工作。

除了合成化学、合成生物学和体内成像技术之外,他的研究课题还涉及生物工程、生物化学、生物技术、神经科学、机器人和细胞生物学等领域。因此,他与西湖大学生命科学学院很多实验室都有交流和合作。

高亮实验室帮助他解决了一个从理想走进现实的大难题。膨胀显微镜技术听上去很美,可处理后的样品,体积很大又不能切片,怎么放到显微镜下观察呢?高亮实验室特殊定制的平铺光片显微镜就派上了用场,特制的样品放置台完全可以容纳水凝胶。

孙一实验室则将膨胀显微镜技术用于研究果蝇脑神经环路结构。他们发现,当样品膨胀后,基因编码的内源性荧光不能直接用于成像,需要结合其它方法才能发挥膨胀显微镜的功能从而实现神经环路精细结构的研究。如何优化内源性荧光从而直接用于膨胀显微镜是一个亟待解决的技术问题。这些实践得来的反馈对Piatkevich实验室来说非常珍贵,他们正在改良荧光蛋白,以解决这个问题。

来到西湖大学,Piatkevich发现在“鉴赏”大脑这件事情上,他拥有很大的想象空间,也拥有很多志同道合的伙伴。

“All roads lead to the brain.”

Piatkevich的这句演绎,说的是人体的生理活动,也是不同学科领域的科学家们殊途同归的好奇心和求知欲。