香港科大利用雙光子顯微內(nèi)鏡實現(xiàn)高分辨率深層腦成像

香港科技大學(xué)利用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)高分辨率神經(jīng)突觸成像。

雙光子顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步帶來了更高的分辨率和功能成像，從而幫助研究人員展開大腦功能和神經(jīng)活動的研究。

然而，雙光子方法受到激發(fā)光子和發(fā)射光子極度衰減的影響，限制了可以分析的組織深度和對大腦皮層的成像。內(nèi)窺鏡檢查可能是探測器官深層區(qū)域的更好解決方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，香港科技大學(xué)(Hong Kong University of Science and Technology, HKUST)的一個科研項目開發(fā)出一種基于直接波前傳感的雙光子顯微內(nèi)鏡平臺，結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)了衍射極限分辨率的深腦成像。研究成果被發(fā)表在Science Advances期刊上。

香港科技大學(xué)的Jianan Qu表示，“該技術(shù)可以對其他深層大腦結(jié)構(gòu)如紋狀體、黑質(zhì)和下丘腦進(jìn)行成像。這是一項令人興奮的進(jìn)展，對理解大腦功能和促進(jìn)深層大腦神經(jīng)科學(xué)研究具有巨大的潛力?！?/p>

新的方法建立在落射熒光顯微鏡現(xiàn)有的微型梯度折射率(GRIN)透鏡的基礎(chǔ)上，該透鏡被分別植入大腦，作為顯微鏡物鏡和下面的樣品之間的中繼。

根據(jù)該項目發(fā)表的論文，研究人員之前已經(jīng)嘗試過結(jié)合棒狀GRIN透鏡的雙光子技術(shù)，但是固有像差限制了所實現(xiàn)的3D成像體積。

自適應(yīng)光學(xué)(Adaptive optics, AO)是一項眾所周知的光學(xué)技術(shù)，可以評估入射波前的像差并加以抵消，從而可以精確記錄波前，因此香港科技大學(xué)采用了自適應(yīng)光學(xué)的方法來實現(xiàn)高分辨率的活體深腦成像。

簡化AO雙光子顯微內(nèi)鏡示意圖及GRIN透鏡固有像差的表征

該項目在其論文中評論道：“我們的方法是將雙光子激發(fā)熒光(TPEF)信號用作生物組織內(nèi)部的固有導(dǎo)星?！?/p>

深層大腦的結(jié)構(gòu)和功能

該團(tuán)隊表示，直接波前傳感可以精確預(yù)估像差，而且一旦GRIN透鏡本身的固有像差被評估出來，就非常適合利用GRIN透鏡進(jìn)行體內(nèi)成像。變形鏡會對激發(fā)光產(chǎn)生補(bǔ)償性畸變，從而在腦組織內(nèi)部產(chǎn)生一個潛在的衍射受限焦點。

在試驗中，該小組利用AO雙光子顯微內(nèi)鏡系統(tǒng)對小鼠海馬進(jìn)行了活體成像，并解析結(jié)構(gòu)中的樹突棘，團(tuán)隊成員注意到，該平臺實現(xiàn)了完全AO校正后分辨率的巨大提升，可以清晰地解析深度達(dá)300微米的樹突棘。

深入觀察：小鼠海馬體

研究人員還利用該平臺研究了海馬神經(jīng)元的可塑性，即神經(jīng)元結(jié)構(gòu)對刺激的反應(yīng)變化。特別是對神經(jīng)元信息處理的兩個方面——體細(xì)胞和樹突活動之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

研究人員表示，一種可視化樹突棘數(shù)量和大小變化的方法將有助于了解人們在記憶受損期間或在藥物治療后神經(jīng)傳遞的調(diào)控方式。隨后應(yīng)該進(jìn)一步了解學(xué)習(xí)和記憶的分子基礎(chǔ)及其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的失調(diào)。

Jianan Qu補(bǔ)充道，“長期以來，對深層大腦進(jìn)行高分辨率實時成像一直是一大挑戰(zhàn)，借助自適應(yīng)光學(xué)雙光子顯微內(nèi)鏡，我們現(xiàn)在可以以前所未有的分辨率研究深層大腦的結(jié)構(gòu)和功能，這將大大加速我們在了解神經(jīng)退行性疾病的機(jī)制和開發(fā)相關(guān)治療方法方面的進(jìn)展?！?/p>