人类的大脑是一个持续不断的活动场所，它的860亿个神经细胞（神经元）将电信号从大脑的一个区域发送到另一个区域。这些信号沿着白质纤维---一个由线状纤维组成的迷宫---传播，最终产生了所有的大脑功能。揭示神经元之间的这些线状公路一直是神经科学的一个长期挑战。现有的在细胞水平上绘制这种神经回路的方法要么仅限于动物研究，要么需要高度专业化的设备进行数据采集和处理。
在一项新的研究中，以色列耶路撒冷希伯来大学神经科学家Aviv Mezer教授和Roey Schurr博士开发出一种绘制和可视化观察这些神经纤维的新方法。他们利用了一种已经存在了近140年的技术，不过这种技术之前从未被用于研究大脑白质的纤维结构。相关研究结果于2021年10月7日在线发表在Science期刊上，论文标题为“The glial framework reveals white-matter fiber architecture in human and primate brains”。
长期以来，神经元本身一直在使用紫色的Nissl染色剂（Nissl stain）进行研究---这种染色剂是由德国医科学生Franz Nissl在19世纪80年代发明的。它在神经元染色中的应用彻底改变了我们对大脑皮层的理解。然而，Mezer和Schurr是首次使用Nissl染色的大脑切片来揭示白质中的神经纤维通路。
大脑的白质主要由神经纤维和一组称为胶质细胞（glia）的细胞组成。这些胶质细胞在此之前在很大程度上被忽视了，被认为是大脑中相当不重要的空间填充物---事实上它们的名字“胶质细胞”来自于古希腊语，意思是“胶水”。当Schurr作为博士生加入Mezer的实验室时，他决定看一些Nissl染色的脑组织的图片。Schurr说，“这只是好奇心。教科书上有很多插图，但我想了解大脑白质究竟是什么样子的。”
令Schurr惊讶的是，他注意到这些胶质细胞形成了一种短列的模式。此外，这些胶质细胞排列似乎与局部的神经纤维一致。Schurr说，“我们做了一次彻底的文献审查，发现1992年的一篇论文已经描述了这种胶质细胞组织，但是这一发现在我们的领域没有得到应有的关注。”
Nissl ST成像：1.左上：在人类大脑半球的单个切片上使用Nissel ST技术的结果。我们可以看到神经纤维取向图（方向根据右边的半圆进行颜色编码）。2.右上：称为胼胝体的白质束中神经纤维取向图的放大图。3.第一行：沿白质束不同位置的Nissl染色图像。染色的胶质细胞排列在每个位置的取向不同。4.最下面一行：我们的方法选择的这些取向恢复底层的纤维取向。图片来自Roey Schurr/Hebrew University。
此后，Schurr开展了其他方面的研究，但是最近，他又回到了他所做的那项不寻常的观察。Mezer和Schurr意识到，通过使用图像处理领域的简单计算工具，他们可以利用模式化的细胞组织来揭示白质结构。Mezer说，“当我们第一次将这种技术应用于Nissl染色的大脑切片时，我感到非常惊讶。在Nissl染色的图片中，白质呈模糊均匀的外观。应用一些计算工具后，突然出现了一张彩色图片，描绘一直隐藏在那里的白质纤维的精细结构。我们立即认识到这是科学家们在白质研究中一直在寻找的一块重要拼图。”
这种被Mezer和Schurr称为Nissl-ST（Nissl-based Structure Tensor）的技术可以用于任何经过Nissl染色的大脑切片中的白质。由于Nissl染色是脑科学中最常用的染色剂，在世界各地都可以找到很多这种染色剂，包括高分辨率染色脑切片的数字化数据集和开源图谱。
Mezer总结说，“Nissl-ST的应用对于未来研究正常大脑发育、衰老和影响白质的病理状态（如神经变性和精神分裂症）中的白质有很大的潜力。”
