三光子显微镜与自适应光学相结合，实现深层活体脑成像
2021-10-09 10:24:51 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

隶属于德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）的Prevedel研究团队近日开发出一项开创性光学技术，可使神经科学家能够观察大脑深处的活体神经元，以及隐藏在不透明组织中的任何其他细胞。

EMBL研究人员将三光子显微镜（3-photon microscopy）与自适应光学（adaptive optics，AO）相结合，使神经科学家能够更深入地观察活体神经元的活动。

据麦姆斯咨询报道，隶属于德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）的Prevedel研究团队近日开发出一项开创性光学技术，可使神经科学家能够观察大脑深处的活体神经元，以及隐藏在不透明组织中的任何其他细胞。

这项技术主要基于两种最先进的显微技术：三光子显微镜和自适应光学。这项研究于近日发表在Nature Methods，论文链接为：https://www.nature.com/articles/s41592-021-01257-6。

迄今为止，对神经科学家来说，无论是观察在大脑皮层深层形成“钙波”的星形胶质细胞，还是观察海马结构中的任何其他神经细胞（海马结构是大脑深处负责空间记忆和导航的区域），都是不小的挑战。

这种现象常见于所有哺乳动物的大脑。通过开发这项新技术，来自Prevedel研究团队的Lina Streich与其合作者能够以前所未有的高分辨率捕捉这些多功能细胞的精细细节。这支国际研究团队包括来自德国、奥地利、阿根廷、中国、法国、美国、印度以及约旦的研究人员。

在目前的神经科学研究中，大脑组织多是在小型模式生物或需要切片观察的离体样本中观察的，这两种观察样本皆为非生理条件。

“正常的脑细胞活动只发生在活体动物中，但是小鼠的大脑是高度散射的组织。”Robert Prevedel表示，“在这样的大脑中，光不容易聚焦，这是由于光会与细胞成分相互作用。这便限制了能够生成清晰图像的细胞的深度，这使得利用传统技术聚焦大脑深处的小结构变得非常困难。”

图为显微镜中用于将光聚焦在活体组织内的可变形反射镜

显著提升观察深度

多亏了Prevedel实验室的前博士生Streich，他花了四年多的时间来解决“观察深度”这个问题，使得科学家如今可对大脑深层组织进行更深入的观察。

Prevedel表示：“在传统的荧光大脑显微技术中，荧光分子每次吸收两个光子，荧光分子由基态跃迁至激发态从而溢出荧光，并可以确保辐射引起的激发态被限制在很小的范围内。”

“但光子传播距离越远，因散射而导致丢失的可能性就越大。” 克服这一问题的一种方法是增加激发光子的波长，使其接近红外波段，从而确保荧光基团吸收足够的辐射能量。

此外，使用三光子而非双光子可在大脑深处获得更清晰的图像。但另一个挑战仍然存在：确保光子聚焦，使整个图像不模糊。

实验装置原理图

自适应光学技术的加成

Streich及其团队使用的第二种显微技术就是自适应光学。在Prevedel实验室中，畸变是由散射非均匀组织所引起，天文学中所使用的自适应光学原理和技术与这种情况非常相似。

“我们还使用了主动控制的可变形反射镜，它能够优化波前，以便使光在大脑深处汇聚和聚焦。”Prevedel解释道。

ECG门控自适应光学三光子显微镜的原理图

Streich补充道：“我们开发了一种定制方法，使其足够快，以便用于大脑中的活体细胞。”为了降低该技术的侵入性，研究团队还尽可能减少了获取高质量图像所需的测量次数。

“这是首次将这些技术结合起来发挥作用。”Streich说道，“多亏了这些技术，我们才能以高分辨率显示最深层活神经元的图像。”

研究团队与来自罗马EMBL和海德堡大学的同事共同合作，在保持大脑完整的同时，完成了对连接海马结构神经元的树突和轴突的可视化观察。

Streich认为：“这是开发更先进的非侵入性技术来研究活体组织的重要飞跃。”尽管这项技术是为用于小鼠大脑而开发，但它还能轻松应用于任何不透明的组织。

“除了能够在无需牺牲动物或移除覆盖组织的情况下研究生物组织这一明显优势之外，这项新技术还为动物的纵向研究开辟了道路，即对疾病从发病到结束整个过程的研究。这将为科学家更好地了解疾病在组织和器官中的发展状况，提供一个强大的工具。”Streich最后补充道。

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