MLS-SIM應用于清醒小鼠皮層超分辨成像

中科院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心王凱研究組在《自然·方法》(Nature Methods)上在線發(fā)表了題為《Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals》的研究論文。該團隊開發(fā)了新型超分辨顯微成像技術，解決了背景噪聲干擾和運動偽影兩大技術難題，可在清醒動物腦中對神經元的快速動態(tài)進行超分辨率光學成像和解析，為探討動物學習過程中的神經元突觸可塑性基礎提供了新工具。近年來，新發(fā)展的超分辨光學顯微成像技術可突破光學衍射極限。目前，由于面臨多項技術難點，超分辨率熒光顯微鏡多應用于離體的細胞和腦片研究，未有技術能夠在清醒動物中超分辨解析正常生理和行為狀態(tài)下突觸的結構和功能。因此，開發(fā)可應用于清醒動物的超分辨光學成像新技術是神經科學和光學成像技術領域的技術前沿。

該團隊提出了多模式復用結構光線照明超分辨顯微成像技術(MLS-SIM)。MLS-SIM的關鍵創(chuàng)新在于提出了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，并提出了新的超分辨重構理論框架以實現(xiàn)準確高效的超分辨圖像重構。在線性熒光激發(fā)模式下，MLS-SIM可以150納米橫向分辨率對清醒小鼠皮層中神經元樹突棘尖刺和軸突終扣微觀動態(tài)開展長達上千幀的連續(xù)成像，且速度達每秒數(shù)幀;可容忍每秒50微米的樣品運動而不影響其超分辨成像性能。進一步，通過皮秒脈沖激光實現(xiàn)非線性熒光激發(fā)，非線性MLS-SIM可以將橫向分辨率提高至約100納米，且保持同樣的樣品運動容忍度。

MLS-SIM填補了超分辨顯微鏡在清醒動物上開展成像的空白，并彌補了以往技術在活體動物成像時長和光漂白特性的不足，為在體微觀研究開辟了前景。利用這一技術，該研究在清醒的小鼠大腦中驗證了神經元樹突棘和軸突終扣上存在快速變化的尖刺動態(tài)，并量化研究了清醒-睡眠循環(huán)中神經元的微觀快速動態(tài)的改變。同時，該技術實現(xiàn)了雙色超分辨同時成像，剖析了PSD-95蛋白聚團的微觀結構與樹突棘發(fā)生之間的聯(lián)系。

研究在雙色成像實驗中發(fā)現(xiàn)，樹突主干存在許多動態(tài)的小突起。這種突起結構的尺寸多小于傳統(tǒng)雙光子成像技術的解析能力，只能通過超分辨成像進行動態(tài)分析。動態(tài)觀察顯示，樹突主干上的PSD-95聚團附近存在頻繁的小突起生成現(xiàn)象。進而，研究通過對一段時間內的動態(tài)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，樹突主干上的PSD-95聚團和主干上的小突起存在顯著的共定位現(xiàn)象。這一新發(fā)現(xiàn)的小突起結構及其與PSD-95的共定位可能暗含樹突棘發(fā)生的細胞機制，為未來突觸可塑性研究提供了新證據(jù)。這一技術使得在清醒動物生理狀態(tài)下對神經元及其他細胞的亞細胞微觀動態(tài)進行長時間、大范圍的成像和分析成為可能，為超分辨成像在神經科學領域的應用奠定了基礎，并為神經科學研究提供了新工具。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會及中國博士后科學基金的支持。

審核編輯 黃宇