超清显微镜不止拍出小鼠大脑3D超清图像,还能观察几天内的脑部变化

   绕波特        

研究人员采用一种先进的显微镜技术,可以在活着的老鼠的大脑内拍摄“超高分辨率”的3D图像。该方法精确度非常高,能够在神经元的分支上成像,并且可以观察它们在几天内的变化过程。


在测试中,研究小组能够在动物组织的相对较深的深度上以很高的分辨率捕捉三维图像-在活的小鼠大脑中深度为76微米,在组织样品中深度为164微米。该方法能够成像一些难以置信的微小细胞结构,称为树突棘。如果神经元是一棵树,则树突是伸向他人的树枝,树突棘是从那些树突伸出的树枝。


超清显微镜不止拍出小鼠大脑3D超清图像,还能观察几天内的脑部变化


显微镜是世界上第一个在动物体内实现3D STED超分辨率的仪器。深层组织成像技术的这些进步将使研究人员能够直接可视化其原生组织环境中的亚细胞结构和动力学。


这项新技术建立在1990年代开发的被称为激发发射耗尽(STED)显微镜的技术上,并于2014年获得了科学家斯蒂芬·海尔(Stefan Hell)的诺贝尔化学奖。通过使纳米尺度的物体发出荧光,该方法允许光学显微镜绕开成像中的物理尺寸限制。


STED显微镜通常是由被激光激发时会发光的分子完成的。目标样品被这些分子染色,然后用两个激光扫过它们-第一个激发所有分子,第二个激发较大的分子释放能量并停止发光。最终结果是,最小的分子仍能发出荧光,从而使图像具有非常精细的细节。近年来,科学家甚至设法使该技术适应产生三维图像。


到目前为止,3D STED成像仅在薄样品中才真正起作用。那是因为激光很难通过太多的组织到达分子并激发它们。因此,对于这项新研究,研究人员通过将3D STED成像与另一种称为双光子激发(2PE)的技术相结合,克服了这一限制。


该研究的第一作者Mary Grace Velasco表示,2PE通过使用近红外波长而不是可见光使组织更深处成像。红外光不易散射,因此能够更好地穿透组织。


最终结果是该团队称为3D-2PE-STED成像的技术。为了进一步改善图像质量,该团队还使用了自适应光学器件,可以校正通过组织成像时可能产生的光形像差或畸变。


在成像过程中,自适应元件以与标本组织完全相反的方式修改光波前。因此,自适应元件的像差会抵消组织的像差,从而创建理想的成像条件,使STED超分辨率功能可以在所有三个维度上恢复。


新的3D-2PE-STED显微镜方法能够在几天后分辨出微小结构中的变化-常规2PE成像(右)无法实现这一点。


该技术在测试中表现出色。最初的实验是在培养的细胞中进行的,其中3D-2PE-STED成像能够揭示的细节比单独使用2PE小10倍。


在对活体小鼠的测试中,研究人员能够放大树突棘,非常详细地揭示其3D结构。三天后对同一区域进行成像时,他们甚至能够显示出结构上的自然差异。


树突状棘突是如此之小,以至于没有超分辨率,就很难形象化其精确的3D形状,更不用说随时间推移对该形状的任何改变了。 3D-2PE-STED现在提供了观察这些变化的方法,不仅可以观察到大脑的浅层,还可以观察到更深层的内部,那里发生了更多有趣的联系。


尽管研究小组说他们没有发现该技术对神经元结构或小鼠行为造成任何损害的迹象,但他们说需要进一步研究以确保其安全性。


在将其用于人体组织成像之前,它还可能需要进行一些调整,荧光分子可以直接“涂”在靶细胞上,这一技术或可以实现非侵入式治疗。


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