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) 項目成果】近日，中國科學(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)隊在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破，他們成功開發(fā)了一種新型超分辨顯微成像技術(shù)，該技術(shù)能夠在清醒動物中對神經(jīng)元的快速動態(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日在國際頂級學(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)的重要研究內(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)和功能可塑性對于學(xué)習(xí)記憶等生理過程至關(guān)重要。
為了克服這一技術(shù)難題，王凱團(tuán)隊創(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(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)動偽影兩大技術(shù)難題，還使得在清醒動物中對神經(jīng)元的快速動態(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，甚至可以通過非線性熒光激發(fā)提高至約100納米，同時保持對樣品運(yùn)動的高容忍度。這意味著科學(xué)家們可以首次在清醒動物中觀察到神經(jīng)元樹突棘和軸突終扣上快速變化的尖刺動態(tài)，并量化研究清醒-睡眠循環(huán)中神經(jīng)元的微觀快速動態(tài)的改變。
利用這一新技術(shù)，王凱團(tuán)隊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)元樹突棘和軸突終扣上存在著快速變化的尖刺動態(tài)，這些動態(tài)變化與學(xué)習(xí)記憶等生理過程密切相關(guān)。此外，他們還通過雙色超分辨同時成像技術(shù)，探究了PSD-95蛋白聚團(tuán)的微觀結(jié)構(gòu)與樹突棘發(fā)生之間的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，樹突主干上的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物上開展成像的空白，還為神經(jīng)科學(xué)研究提供了新的有力工具?？茖W(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，這對于揭示學(xué)習(xí)記憶等生理過程的底層機(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，這一技術(shù)有望為神經(jīng)科學(xué)研究帶來更多的突破和發(fā)現(xiàn)，推動生命科學(xué)研究的深入發(fā)展。
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