新型超分辨成像技術(shù)突破神經(jīng)科學(xué)研究壁壘
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心(神經(jīng)科學(xué)研究所)王凱團(tuán)隊(duì)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破，他們成功開(kāi)發(fā)了一種新型超分辨顯微成像技術(shù)，該技術(shù)能夠在清醒動(dòng)物中對(duì)神經(jīng)元的快速動(dòng)態(tài)進(jìn)行超分辨率光學(xué)成像和解析。這一研究成果于2024年11月22日在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature Methods上發(fā)表，題為“Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals”。
理解微觀生命過(guò)程如何有機(jī)構(gòu)成宏觀生命體，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的生理功能，一直是生命科學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡受限于光學(xué)衍射效應(yīng)，無(wú)法突破200~300納米的分辨率極限，使得科學(xué)家們難以進(jìn)一步觀察和研究更精細(xì)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。這一局限性在神經(jīng)科學(xué)研究中尤為突出，因?yàn)樯窠?jīng)元突觸等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的形態(tài)和功能可塑性對(duì)于學(xué)習(xí)記憶等生理過(guò)程至關(guān)重要。
為了克服這一技術(shù)難題，王凱團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了多模式復(fù)用結(jié)構(gòu)光線照明超分辨顯微成像技術(shù)(MLS-SIM)。該技術(shù)的核心在于在單次線掃描成像過(guò)程中，通過(guò)快速切換不同的線照明模式來(lái)分別獲得三個(gè)方向上的超分辨信息，并結(jié)合新的超分辨重構(gòu)理論框架，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的超分辨圖像重構(gòu)。這一創(chuàng)新不僅解決了背景噪聲干擾和運(yùn)動(dòng)偽影兩大技術(shù)難題，還使得在清醒動(dòng)物中對(duì)神經(jīng)元的快速動(dòng)態(tài)進(jìn)行超分辨率光學(xué)成像成為可能。
MLS-SIM技術(shù)的橫向分辨率可達(dá)150納米，甚至可以通過(guò)非線性熒光激發(fā)提高至約100納米，同時(shí)保持對(duì)樣品運(yùn)動(dòng)的高容忍度。這意味著科學(xué)家們可以首次在清醒動(dòng)物中觀察到神經(jīng)元樹(shù)突棘和軸突終扣上快速變化的尖刺動(dòng)態(tài)，并量化研究清醒-睡眠循環(huán)中神經(jīng)元的微觀快速動(dòng)態(tài)的改變。
利用這一新技術(shù)，王凱團(tuán)隊(duì)在清醒的小鼠大腦中發(fā)現(xiàn)了許多新的現(xiàn)象。他們觀察到，神經(jīng)元樹(shù)突棘和軸突終扣上存在著快速變化的尖刺動(dòng)態(tài)，這些動(dòng)態(tài)變化與學(xué)習(xí)記憶等生理過(guò)程密切相關(guān)。此外，他們還通過(guò)雙色超分辨同時(shí)成像技術(shù)，探究了PSD-95蛋白聚團(tuán)的微觀結(jié)構(gòu)與樹(shù)突棘發(fā)生之間的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)突主干上的PSD-95聚團(tuán)和主干上的小突起存在著顯著的共定位現(xiàn)象，這一新發(fā)現(xiàn)的小突起結(jié)構(gòu)及其與PSD-95的共定位可能暗含樹(shù)突棘發(fā)生的細(xì)胞機(jī)制。
這一研究成果不僅填補(bǔ)了超分辨顯微鏡在清醒動(dòng)物上開(kāi)展成像的空白，還為神經(jīng)科學(xué)研究提供了新的有力工具。科學(xué)家們現(xiàn)在可以更深入地了解神經(jīng)元突觸等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的形態(tài)和功能可塑性，這對(duì)于揭示學(xué)習(xí)記憶等生理過(guò)程的底層機(jī)理、理解大腦工作原理具有重要意義。
王凱團(tuán)隊(duì)表示，他們將繼續(xù)優(yōu)化和完善MLS-SIM技術(shù)，拓展其在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。未來(lái)，這一技術(shù)有望為神經(jīng)科學(xué)研究帶來(lái)更多的突破和發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)生命科學(xué)研究的深入發(fā)展。
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