研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種先進的顯微鏡技術(shù)，可以在活老鼠的大腦內(nèi)拍攝“超分辨率”的3D圖像。這種方法非常精確，以至于研究小組能夠?qū)ι窠?jīng)元分支上的小樹枝進行成像并觀察它們在幾天內(nèi)的變化情況。

在測試中，該團隊能在動物組織相對深處以非常高的分辨率拍攝3D圖像--活老鼠大腦深處76微米及組織樣本深處164微米。

該方法能對一些極其微小的細胞結(jié)構(gòu)成像，這些細胞結(jié)構(gòu)被稱為樹突棘。如果一個神經(jīng)元是一棵樹，那么樹突就是伸向其他神經(jīng)元的分支，而樹突棘就是從中伸出來的小樹枝。

這項研究的首席研究員Joerg Bewersdorf表示：“我們的顯微鏡是世界上第一個在活體動物內(nèi)部實現(xiàn)3D STED超分辨率的儀器。深部組織成像技術(shù)的這些進展將使研究人員得以直接直觀地看到亞細胞結(jié)構(gòu)和原生組織環(huán)境中的動態(tài)�！�

上圖是顯示了活老鼠大腦神經(jīng)元上微小“樹枝”的3D-2PE-STED顯微鏡圖像

這項新技術(shù)建立在一項被稱為受激發(fā)射損耗顯微鏡(STED)顯微技術(shù)的基礎(chǔ)上，該技術(shù)開發(fā)于上世紀90年代并為科學(xué)家Stefan Hell贏得了2014年的諾貝爾化學(xué)獎。這種方法通過使納米尺度的物體發(fā)出熒光進而使光學(xué)顯微鏡在成像時繞過物理尺寸的限制。

STED顯微鏡通常是用在被激光激發(fā)時會發(fā)光的分子展開的。用這些分子給目標(biāo)樣品染色，然后用兩束激光掃過它們--第一束激光激發(fā)所有的分子，而第二束激光使較大的分子釋放能量并停止發(fā)光。最終的結(jié)果是，只有最小的分子仍會發(fā)出熒光從而可以得到非常精細的圖像。近年來，科學(xué)家們甚至成功地將這種技術(shù)應(yīng)用到3D圖像的制作中。

問題是，3D STED成像到目前為止只在薄樣本中有效。這是因為激光很難穿過太多組織到達分子并激發(fā)它們。因此，在新的研究中，研究人員通過將3D STED成像跟另一種稱為雙光子激發(fā)(2PE)的技術(shù)結(jié)合起來從而克服了這一限制。

該研究的論文第一作者Mary Grace Velasco說道：“2PE可以利用近紅外波長而不是可見光在更深的組織中成像。紅外光不太容易被散射，因此能更好地穿透到組織深處�！�

最終得到的成果是被團隊稱為3D-2PE-STED成像的一種技術(shù)。為了進一步改善圖像，研究小組還使用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，這樣可以糾正通過組織成像時產(chǎn)生的光的畸變或變形。

Velasco說道：“在成像過程中，自適應(yīng)元件改變光波陣面的方式gen 標(biāo)本中的組織完全相反。因此，自適應(yīng)元件的像差抵消了組織的像差、創(chuàng)造了理想的成像條件并允許STED的超分辨率能力在所有三維中得以恢復(fù)�！�

這項技術(shù)在試驗中表現(xiàn)令人印象深刻。第一個實驗是在培養(yǎng)的細胞中進行的，其中3D-2PE-STED成像能揭示比單獨使用2PE小10倍的細節(jié)。

在對活老鼠的測試中，研究人員能放大這些樹突棘并非常詳細地揭示它們的3D結(jié)構(gòu)。他們甚至能在三天后對同一區(qū)域進行成像時顯示出結(jié)構(gòu)上的自然差異。

“樹突棘是如此之小，如果沒有超分辨率就很難想象它們的確切三維形狀，更不用說隨著時間的推移這種形狀會發(fā)生任何變化。3D-2PE-STED現(xiàn)在提供了觀察這些變化的方法，其不僅可以在大腦的淺層觀察還可以在更深的內(nèi)部觀察，而在那里發(fā)生了更多有趣的連接，”Velasco說道。

盡管研究小組表示，他們沒有在神經(jīng)元結(jié)構(gòu)或小鼠行為上看到任何由該技術(shù)造成的損傷跡象，但他們表示，還需要進一步研究以確保其安全性。

該項技術(shù)在用于人體組織成像之前還可以進行一些調(diào)整--在這個版本中，熒光分子需要直接“繪制”到目標(biāo)細胞上，這可能會抵消該技術(shù)的非侵入性。該團隊表示，未來的進展可能涉及可注射染料。

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