新3D“超分辨率”成像技术能观察到活老鼠大脑中的微小结构

导读：据外媒报道，研究人员采用一种先进的显微镜技术在活老鼠的大脑内拍摄“超分辨率”的3D图像。

据外媒报道，研究人员采用一种先进的显微镜技术在活老鼠的大脑内拍摄“超分辨率”的3D图像。这种方法非常精确，以至于研究小组能够对神经元分支上的小树枝进行成像并观察它们在几天内的变化情况。 在测试中，该团队能在动物组织相对深处以非常高的分辨率拍摄3D图像--活老鼠大脑深处76微米及组织样本深处164微米。

该方法能对一些极其微小的细胞结构成像，这些细胞结构被称为树突棘。如果一个神经元是一棵树，那么树突就是伸向其他神经元的分支，而树突棘就是从中伸出来的小树枝。

这项研究的首席研究员Joerg Bewersdorf表示：“我们的显微镜是世界上第一个在活体动物内部实现3D STED超分辨率的仪器。深部组织成像技术的这些进展将使研究人员得以直接直观地看到亚细胞结构和原生组织环境中的动态。”

这是一张显示了活老鼠大脑神经元上微小“树枝”的3D-2PE-STED显微镜图像

这项新技术建立在一项被称为受激发射损耗显微镜(STED)显微技术的基础上，该技术开发于上世纪90年代并为科学家Stefan Hell赢得了2014年的诺贝尔化学奖。这种方法通过使纳米尺度的物体发出荧光进而使光学显微镜在成像时绕过物理尺寸的限制。

STED显微镜通常是用在被激光激发时会发光的分子展开的。用这些分子给目标样品染色，然后用两束激光扫过它们--第一束激光激发所有的分子，而第二束激光使较大的分子释放能量并停止发光。最终的结果是，只有最小的分子仍会发出荧光从而可以得到非常精细的图像。近年来，科学家们甚至成功地将这种技术应用到3D图像的制作中。

问题是，3D STED成像到目前为止只在薄样本中有效。这是因为激光很难穿过太多组织到达分子并激发它们。因此，在新的研究中，研究人员通过将3D STED成像跟另一种称为双光子激发(2PE)的技术结合起来从而克服了这一限制。

该研究的论文第一作者Mary Grace Velasco说道：“2PE可以利用近红外波长而不是可见光在更深的组织中成像。红外光不太容易被散射，因此能更好地穿透到组织深处。”

最终得到的成果是被团队称为3D-2PE-STED成像的一种技术。为了进一步改善图像，研究小组还使用了自适应光学技术，这样可以纠正通过组织成像时产生的光的畸变或变形。

Velasco说道：“在成像过程中，自适应元件改变光波阵面的方式gen 标本中的组织完全相反。因此，自适应元件的像差抵消了组织的像差、创造了理想的成像条件并允许STED的超分辨率能力在所有三维中得以恢复。”

这项技术在试验中表现令人印象深刻。第一个实验是在培养的细胞中进行的，其中3D-2PE-STED成像能揭示比单独使用2PE小10倍的细节。

在对活老鼠的测试中，研究人员能放大这些树突棘并非常详细地揭示它们的3D结构。他们甚至能在三天后对同一区域进行成像时显示出结构上的自然差异。

“树突棘是如此之小，如果没有超分辨率就很难想象它们的确切三维形状，更不用说随着时间的推移这种形状会发生任何变化。3D-2PE-STED现在提供了观察这些变化的方法，其不仅可以在大脑的浅层观察还可以在更深的内部观察，而在那里发生了更多有趣的连接，”Velasco说道。

尽管研究小组表示，他们没有在神经元结构或小鼠行为上看到任何由该技术造成的损伤迹象，但他们表示，还需要进一步研究以确保其安全性。

该项技术在用于人体组织成像之前还可以进行一些调整--在这个版本中，荧光分子需要直接“绘制”到目标细胞上，这可能会抵消该技术的非侵入性。该团队表示，未来的进展可能涉及可注射染料。