新型超分辨成像技術突破神經科學研究壁壘

2024年11月26日 10:51:54來源：化工儀器網作者：宋池點擊：5798

　　【化工儀器網項目成果】近日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)王凱團隊在神經科學領域取得了重大突破，他們成功開發了一種新型超分辨顯微成像技術，該技術能夠在清醒動物中對神經元的快速動態進行超分辨率光學成像和解析。這一研究成果于2024年11月22日在國際頂級學術期刊Nature Methods上發表，題為“Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals”。

　　理解微觀生命過程如何有機構成宏觀生命體，并實現復雜的生理功能，一直是生命科學的重要研究內容。然而，傳統的光學顯微鏡受限于光學衍射效應，無法突破200~300納米的分辨率極限，使得科學家們難以進一步觀察和研究更精細的結構和動態。這一局限性在神經科學研究中尤為突出，因為神經元突觸等關鍵結構的形態和功能可塑性對于學習記憶等生理過程至關重要。

　　為了克服這一技術難題，王凱團隊創新提出了多模式復用結構光線照明超分辨顯微成像技術(MLS-SIM)。該技術的核心在于在單次線掃描成像過程中，通過快速切換不同的線照明模式來分別獲得三個方向上的超分辨信息，并結合新的超分辨重構理論框架，實現準確高效的超分辨圖像重構。這一創新不僅解決了背景噪聲干擾和運動偽影兩大技術難題，還使得在清醒動物中對神經元的快速動態進行超分辨率光學成像成為可能。

　　MLS-SIM技術的橫向分辨率可達150納米，甚至可以通過非線性熒光激發提高至約100納米，同時保持對樣品運動的高容忍度。這意味著科學家們可以首次在清醒動物中觀察到神經元樹突棘和軸突終扣上快速變化的尖刺動態，并量化研究清醒-睡眠循環中神經元的微觀快速動態的改變。

　　利用這一新技術，王凱團隊在清醒的小鼠大腦中發現了許多新的現象。他們觀察到，神經元樹突棘和軸突終扣上存在著快速變化的尖刺動態，這些動態變化與學習記憶等生理過程密切相關。此外，他們還通過雙色超分辨同時成像技術，探究了PSD-95蛋白聚團的微觀結構與樹突棘發生之間的聯系。研究發現，樹突主干上的PSD-95聚團和主干上的小突起存在著顯著的共定位現象，這一新發現的小突起結構及其與PSD-95的共定位可能暗含樹突棘發生的細胞機制。

　　這一研究成果不僅填補了超分辨顯微鏡在清醒動物上開展成像的空白，還為神經科學研究提供了新的有力工具。科學家們現在可以更深入地了解神經元突觸等關鍵結構的形態和功能可塑性，這對于揭示學習記憶等生理過程的底層機理、理解大腦工作原理具有重要意義。

　　王凱團隊表示，他們將繼續優化和完善MLS-SIM技術，拓展其在神經科學領域的應用范圍。未來，這一技術有望為神經科學研究帶來更多的突破和發現，推動生命科學研究的深入發展。

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