研究人员首次在活老鼠身上捕捉到3D超分辨率图像

据悉，来自耶鲁大学的研究人员开发了一种新的显微镜技术，可以获取生物组织(包括大脑)内部大约100微米的亚细胞结构的3D超分辨率图像。通过让科学家对大脑有更深入的了解，这种方法可以帮助揭示神经元随着时间、学习过程或疾病而发生的微妙变化。

新方法是受激发射耗尽(STED)显微镜的延伸，是一种突破技术，通过克服光学显微镜的传统衍射极限来实现纳米级分辨率。斯特凡·赫尔(Stefan Hell)因开发这种超分辨率成像技术而获得2014年诺贝尔化学奖。

在美国光学学会的期刊《Optica》上，研究人员描述了他们如何使用这种新型STED显微镜以超分辨率对活老鼠大脑深处树突棘的三维结构进行成像。树突棘是神经元树突分支上的微小突起，它接收邻近神经元的突触输入。它们在神经元活动中起着至关重要的作用。

“我们的显微镜是世界上第一个在活体动物内部实现3D STED超分辨率的仪器，”耶鲁大学医学院的研究团队负责人说， “这种深层组织成像技术的进步将使研究人员能够直接可视化亚细胞结构和原生组织环境中的动力学。以这种方式研究细胞行为的能力，对于生物医学研究和制药开发获得对生物现象的全面理解至关重要。”

更深的成像

传统的STED显微镜最常用来对培养的细胞标本进行成像。使用该技术对厚组织或活体动物成像更具挑战性，特别是当3D-STED的超分辨率优势扩展到三维时。这种限制发生的原因是因为厚度和光学致密组织阻止光线深入穿透和正确聚焦，从而损害了STED显微镜的超分辨率能力。

为了克服这一挑战，研究人员将STED显微镜与双光子激发(2PE)和自适应光学相结合。红外光不太容易被散射，因此能够更好地穿透到组织深处。所以2PE在组织的较深处成像可以利用近红外波长而非可见光。 研究人员还在他们的系统中添加了自适应光学。使用自适应光学可以矫正光的形状畸变，即在组织内部或通过组织成像时产生的光学像差。在成像过程中，自适应元件改变光波阵面的方式与标本组织的方式完全相反。因此，自适应元件的像差抵消了组织的像差，创造了理想的成像条件，允许STED的超分辨率能力在所有三个维度上恢复。

观察大脑的变化

研究人员测试了他们的3D-2PE-STED技术，首先在一个盖片上对培养细胞的结构进行成像。与单独使用2PE相比，3D-2PE-STED的解析体积要小10倍以上。他们还表明，他们的显微镜能够比传统的双光子显微镜更好地分辨DNA在小鼠皮肤细胞细胞核中的分布。 在这些测试之后，研究人员使用他们的3D-2PE-STED显微镜对一只活老鼠的大脑成像。他们放大了一个树突的一部分，并分辨出了单个脊椎的三维结构。两天后，他们对同一区域进行了成像，结果显示脊柱结构在这段时间确实发生了变化。研究人员没有观察到图像中神经元结构的任何变化，也没有观察到小鼠行为的任何变化，这些变化表明图像造成了损伤。所以，他们计划对此进行进一步研究。

图：研究人员用他们的3D-2PE-STED显微镜对一只活老鼠的大脑成像。放大一个树突的一部分，可以看到单个脊柱的三维结构。