MLS-SIM應(yīng)用于清醒小鼠皮層超分辨成像

中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型超分辨顯微成像技術(shù)，解決了背景噪聲干擾和運(yùn)動(dòng)偽影兩大技術(shù)難題，可在清醒動(dòng)物腦中對神經(jīng)元的快速動(dòng)態(tài)進(jìn)行超分辨率光學(xué)成像和解析，為探討動(dòng)物學(xué)習(xí)過程中的神經(jīng)元突觸可塑性基礎(chǔ)提供了新工具。近年來，新發(fā)展的超分辨光學(xué)顯微成像技術(shù)可突破光學(xué)衍射極限。目前，由于面臨多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，超分辨率熒光顯微鏡多應(yīng)用于離體的細(xì)胞和腦片研究，未有技術(shù)能夠在清醒動(dòng)物中超分辨解析正常生理和行為狀態(tài)下突觸的結(jié)構(gòu)和功能。因此，開發(fā)可應(yīng)用于清醒動(dòng)物的超分辨光學(xué)成像新技術(shù)是神經(jīng)科學(xué)和光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)前沿。

該團(tuán)隊(duì)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)。MLS-SIM的關(guān)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(gè)方向上的超分辨信息，并提出了新的超分辨重構(gòu)理論框架以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的超分辨圖像重構(gòu)。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(jīng)元樹突棘尖刺和軸突終扣微觀動(dòng)態(tài)開展長達(dá)上千幀的連續(xù)成像，且速度達(dá)每秒數(shù)幀;可容忍每秒50微米的樣品運(yùn)動(dòng)而不影響其超分辨成像性能。進(jìn)一步，通過皮秒脈沖激光實(shí)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(yùn)動(dòng)容忍度。

MLS-SIM填補(bǔ)了超分辨顯微鏡在清醒動(dòng)物上開展成像的空白，并彌補(bǔ)了以往技術(shù)在活體動(dòng)物成像時(shí)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(shù)，該研究在清醒的小鼠大腦中驗(yàn)證了神經(jīng)元樹突棘和軸突終扣上存在快速變化的尖刺動(dòng)態(tài)，并量化研究了清醒-睡眠循環(huán)中神經(jīng)元的微觀快速動(dòng)態(tài)的改變。同時(shí)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雙色超分辨同時(shí)成像，剖析了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。

研究在雙色成像實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，樹突主干存在許多動(dòng)態(tài)的小突起。這種突起結(jié)構(gòu)的尺寸多小于傳統(tǒng)雙光子成像技術(shù)的解析能力，只能通過超分辨成像進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。動(dòng)態(tài)觀察顯示，樹突主干上的PSD-95聚團(tuán)附近存在頻繁的小突起生成現(xiàn)象。進(jìn)而，研究通過對一段時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(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，為未來突觸可塑性研究提供了新證據(jù)。這一技術(shù)使得在清醒動(dòng)物生理狀態(tài)下對神經(jīng)元及其他細(xì)胞的亞細(xì)胞微觀動(dòng)態(tài)進(jìn)行長時(shí)間、大范圍的成像和分析成為可能，為超分辨成像在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并為神經(jīng)科學(xué)研究提供了新工具。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)及中國博士后科學(xué)基金的支持。

審核編輯 黃宇