新3D「超分辨率」成像技術能觀察到活老鼠大腦中的微小結構

據外媒報道,研究人員採用一種先進的顯微鏡技術在活老鼠的大腦內拍攝「超分辨率」的3D圖像。這種方法非常精確,以至於研究小組能夠對神經元分支上的小樹枝進行成像並觀察它們在幾天內的變化情況。
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構成像,這些細胞結構被稱為樹突棘。如果一個神經元是一棵樹,那麼樹突就是伸向其他神經元的分支,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部實現3D STED超分辨率的儀器。深部組織成像技術的這些進展將使研究人員得以直接直觀地看到亞細胞結構和原生組織環境中的動態。」

新3D「超分辨率」成像技術能觀察到活老鼠大腦中的微小結構

這是一張顯示了活老鼠大腦神經元上微小「樹枝」的3D-2PE-STED顯微鏡圖像

這項新技術建立在一項被稱為受激發射損耗顯微鏡(STED)顯微技術的基礎上,該技術開發於上世紀90年代並為科學家Stefan Hell贏得了2014年的諾貝爾化學獎。這種方法通過使納米尺度的物體發出熒光進而使光學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時會發光的分子展開的。用這些分子給目標樣品染色,然後用兩束激光掃過它們–第一束激光激發所有的分子,而第二束激光使較大的分子釋放能量並停止發光。最終的結果是,只有最小的分子仍會發出熒光從而可以得到非常精細的圖像。近年來,科學家們甚至成功地將這種技術應用到3D圖像的製作中。

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並激發它們。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(2PE)的技術結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。為了進一步改善圖像,研究小組還使用了自適應光學技術,這樣可以糾正通過組織成像時產生的光的畸變或變形。

Velasco說道:「在成像過程中,自適應元件改變光波陣面的方式gen 標本中的組織完全相反。因此,自適應元件的像差抵消了組織的像差、創造了理想的成像條件並允許STED的超分辨率能力在所有三維中得以恢復。」

新3D「超分辨率」成像技術能觀察到活老鼠大腦中的微小結構

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

在對活老鼠的測試中,研究人員能放大這些樹突棘並非常詳細地揭示它們的3D結構。他們甚至能在三天後對同一區域進行成像時顯示出結構上的自然差異。

「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,更不用說隨着時間的推移這種形狀會發生任何變化。3D-2PE-STED現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部觀察,而在那里發生了更多有趣的連接,」Velasco說道。

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

該項技術在用於人體組織成像之前還可以進行一些調整–在這個版本中,熒光分子需要直接「繪制」到目標細胞上,這可能會抵消該技術的非侵入性。該團隊表示,未來的進展可能涉及可注射染料。

來源:cnBeta