Nature Methods：王凯团队开发新型超分辨显微成像技术，在清醒动物中实现对大脑神经元的超分辨成像

学术 2024-11-22 20:04 上海

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

理解微观生命过程如何有机构成宏观生命体，并实现复杂的生理功能，是生命科学的重要研究内容。然而，受限于研究技术手段，微观动态的研究通常需要在简化的离体实验中开展，使其难以与宏观生命现象如动物的睡眠和学习行为等直接建立联系。

在神经科学研究中，解析突触的形态和功能可塑性是探究学习记忆底层机理，进而理解大脑工作原理的重要基础。神经元突触是神经网络连接的关键结构。在学习记忆等过程中，神经网络连接权重的改变和突触形态的变化高度相关。使用活体动物双光子显微成像技术捕捉突触在学习记忆、睡眠和疾病等过程中的形成和消亡，极大提升了对神经元形态可塑性和脑功能之间联系的认识。然而，受限于光学衍射效应，传统光学显微镜，包括双光子显微镜，无法突破200~300纳米的分辨率极限，难以进一步观察研究更精细的结构和动态。

近年来，新发展的超分辨光学显微成像技术可突破光学衍射极限，并已经为突触研究带来了一场技术革命。然而，由于面临多项技术难点，目前超分辨率荧光显微镜多应用于离体的细胞和脑片研究，尚未有技术能够在清醒动物中超分辨解析正常生理和行为状态下突触的结构和功能。因此，开发能够应用于清醒动物的超分辨光学成像新技术一直是神经科学和光学成像技术领域的长期愿景和技术前沿。

2024年11月22日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）王凯团队在 Nature Methods 期刊发表了题为：Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals 的研究论文。

研究团队开发了一种新型超分辨显微成像技术，有效解决了背景噪声干扰和运动伪影两大技术难题，可在清醒动物脑中对神经元的快速动态进行超分辨率光学成像和解析，为研究动物学习过程中的神经元突触可塑性基础提供了有力的新工具。

发展可应用于清醒动物的超分辨成像技术面临两个主要的技术难题，背景噪声干扰和运动伪影。单分子定位（PALM/STORM）和结构光照明（SIM）超分辨成像技术基于宽场成像，受背景噪声干扰严重。同时，这些技术需要样品在保持静止的状态下采集多张图片来重构一张超分辨图片，难以容忍动物呼吸和心跳造成的微小移动。受激发射损耗显微镜（STED）基于点扫描成像，可通过共聚焦机制滤除背景噪声干扰，但其需要较长的信号积累时间，受运动伪影干扰严重，只尝试在麻醉动物中开展小视场成像。

为了同时解决这些技术难题，研究团队创新提出了多模式复用结构光线照明超分辨显微成像技术（MLS-SIM）。该技术的关键创新在于提出了在单次线扫描成像过程中，通过快速切换不同的线照明模式来分别获得三个方向上的超分辨信息，并提出新的超分辨重构理论框架，实现准确高效的超分辨图像重构。在线性荧光激发模式下，MLS-SIM可以150纳米横向分辨率对清醒小鼠皮层中神经元树突棘尖刺和轴突终扣微观动态开展长达上千帧的连续成像，速度达每秒数帧，可容忍每秒50微米的样品运动而不影响其超分辨成像性能。进一步，利用皮秒脉冲激光实现非线性荧光激发，非线性MLS-SIM可以将横向分辨率提高至约100纳米，且保持同样的样品运动容忍度。

多模式复用结构光线照明超分辨显微成像技术填补了超分辨显微镜在清醒动物上开展成像的空白，并弥补了以往技术在活体动物成像时长和光漂白特性上的不足，为在体微观研究提供了广阔的前景。

利用该技术，研究团队在清醒的小鼠大脑中验证了神经元树突棘和轴突终扣上存在着快速变化的尖刺动态，并量化研究了清醒-睡眠循环中神经元的微观快速动态的改变。该技术还实现了双色超分辨同时成像，探究了PSD-95蛋白聚团的微观结构与树突棘发生之间的联系。在双色成像实验中，研究团队发现了树突主干上存在许多动态的小突起，这种突起结构的尺寸大多小于传统双光子成像技术的解析能力，只能通过超分辨成像进行动态分析。动态观察显示，树突主干上的PSD-95聚团附近存在着频繁的小突起生成现象。通过对一段时间内的动态进行统计分析，研究团队发现树突主干上的PSD-95聚团和主干上的小突起存在着显著的共定位现象。这一新发现的小突起结构及其与PSD-95的共定位可能暗含树突棘发生的细胞机制，为未来的突触可塑性研究提供了新的证据。

多模式复用结构光线照明超分辨显微成像技术MLS-SIM应用于清醒小鼠皮层超分辨成像。图注（a）MLS-SIM照明范式示意图。（b）清醒小鼠脑皮层神经元形态的超分辨成像结果。LC：线共聚焦成像；LCDeconv：经过反卷积处理的线共聚焦成像；MLS-SIM：超分辨成像。标尺，5微米。（c）小鼠脑皮层不同深度成像的结果。标尺，2微米。（d）超分辨观察到树突棘尖刺的快速和长时程动态。标尺，1微米。（e）双色成像树突棘形态和PSD-95蛋白。紫色：膜标记mRuby；绿色：EGFP标记的PSD-95。标尺，500纳米。

总的来说，该研究开发了一种新型超分辨成像技术，同时解决了背景噪声干扰和运动伪影两大技术难题，填补了在清醒动物中开展超分辨成像的技术空白。该技术的出现使得在清醒动物生理状态下对神经元及其他细胞的亚细胞微观动态进行长时间、大范围的成像和分析成为可能。这一关键技术进步为超分辨成像在神经科学领域的广泛应用奠定了基础，为神经科学研究提供了新的有力工具。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）博士毕业生张宇杰为论文第一作者，白璐，王鑫，赵钰琛，张田蕾和叶立晨参与了课题的研究，脑智卓越中心张哲研究员、杜旭飞博士和杜久林研究员参与指导了该项工作，王凯研究员为论文通讯作者。这项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市及中国博士后科学基金的经费资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41592-024-02535-9

设置星标，不错过精彩推文

开放转载

欢迎转发到朋友圈和微信群

微信加群

为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。

点在看，传递你的品味

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU1MzMxMzcyMg==&mid=2247760659&idx=1&sn=5a3e9eb32666b02ede3d6fb5304f6b9b

生物世界

生物世界重点关注最具转化应用前景和价值的生命科学前沿研究，深度访谈和报道生命科学领域前沿学者及创新企业

最新文章

Nature子刊：新型LNP，靶向骨髓造血干细胞递送mRNA

Nature子刊：王琼/杜艳华/章永春团队揭示新型TGFβ-Smad信号传导方式调控胚胎干细胞命运

国内首篇铁死亡Cell论文：西湖大学邹贻龙/王曦团队揭示癌症转移与铁死亡易感性的关联，并提出治疗新策略

突破血脑屏障！董一洲团队开发BCC系统，将核酸药物成功递送到大脑

别加糖！黑咖啡与抑郁风险降低有关，而加糖咖啡/含糖饮料或增加抑郁风险

晚餐要吃早！最新研究显示，5点后吃太多会改变血糖水平，造成严重健康后果

Nature子刊：中外学者合作发现，国产阿尔茨海默病新药GV971可预防重症急性胰腺炎

要想抗衰老，保护肝脏是关键！Nature子刊：肝衰老会向全身传播，导致多器官功能障碍

直播预告：实验鼠鼠的后勤保障做得如何？来动物房“云监工”就知道了！

Science子刊封面论文：何伟玲团队等揭示二甲双胍可逆转胃癌的化疗耐药

JHO：曹雪涛团队揭示癌症免疫治疗新靶点——NPM1

Cell Stem Cell：北京大学王凯团队建立iPS衍生血管畸形新模型，助力AI驱动的药物筛选

iScience：上海交通大学吴强团队揭示碳端结构域调控CTCF结合DNA和架构三维基因组的新机制

Science：为什么熬夜会长胖？昼夜紊乱破坏肝脏-大脑信号同步，诱导暴饮暴食

会议预告：第30届染色体中心的人类蛋白质组计划研讨会暨第5届炎症与肿瘤-蛋白质组学(国际)研讨会即将召开（第三轮通知）

Nature子刊：韩雪祥等利用定向化学进化，加速递送mRNA的新型LNP的开发

西北农林科技大学发表最新Cell子刊论文，揭示植物-微生物新型作用机制

Nature系列综述：赵方庆团队系统总结circRNA药物的设计与开发

10位院士、百余位国内外科学家齐聚深圳，共话组学未来发展

Nature子刊：刘琦/张军/黄行许团队开发首个基因编辑AI大模型，从头识别新型基因编辑系统

Science子刊：陈亮/刘宝辉/顾颖团队揭秘胶质母细胞瘤区域异质性，提出联合靶点治疗新策略

邦耀生物完成近2亿元B+轮融资！加速基因编辑及CAR-T细胞疗法的多管线药物开发

乔治·丘奇开发抗衰老mRNA疗法，让衰老皮肤“返老还童”，将胶原蛋白生成提高200%

数量与质量齐发展，中国学者2023年在Cell出版社发表论文创新高！

浙江大学李洪军/王伟林/顾臻/丁元团队开发细菌辅助疗法，增强过继细胞疗法对实体瘤的治疗效果

Cell：复旦大学郁金泰/程炜/冯建峰/毛颖团队全面绘制人类健康与疾病蛋白质组图谱

Nature Methods：王凯团队开发新型超分辨显微成像技术，在清醒动物中实现对大脑神经元的超分辨成像

著名华人科学家张元豪教授加入制药巨头安进，出任研发高级副总裁兼首席科学家

Adv Sci：精准监控每一次血糖波动！刘钢/黄丽萍/李亚楠/尹少平团队实现智能化葡萄糖在线检测

Cell子刊：华西医院马学磊/石虎兵团队揭示“食疗”在晚期癌症中的安全性和可行性

下午5点后不吃饭，可改善脂肪肝，我国学者证实，肠道细菌发挥着关键作用

欢迎申请！Wiley新锐科学家奖——生命科学奖项

Science重磅：破解40年谜题，揭开自来水消毒产生的神秘化合物

Nature子刊：喝咖啡会改变你的肠道细菌，从而影响代谢

中国科学技术大学发表最新Nature论文

40多篇Nature系列论文齐发，构建“人类细胞维基百科”，在细胞水平上理解人类健康和疾病

你的朋友塑造了你的肠道菌群！Nature最新研究提示我们：“社牛”好处多多

两天5篇Nature论文！Incucyte杀疯了……

Science：敲除这个表观遗传调节因子，防止T细胞耗竭，改善免癌症疫治疗

再发Nature：同济大学王平团队揭示缬氨酸感应新机制及其在肿瘤治疗中的应用

Nature Immunology：王鹏华团队发现UBXN9-GLUT4调控抗病毒免疫全新机制

Cell子刊：肝脏靶向的AAV基因治疗，递送基因持续表达近4年，且安全有效

葛均波院士团队最新论文，揭示缺血性心脏病治疗新靶点——EphrinB2

一朝被蛇咬，十年怕井绳？Cell论文揭示压力会破坏大脑记忆，导致不必要的恐惧和焦虑

用户亲证：西湖大学开发ProteanFect高效转染小鼠原代T细胞、NK细胞及γδT细胞

耿美玉团队最新论文，揭示国产阿尔茨海默病新药GV-971靶向肠道细菌的治疗机制

Cell子刊：瞿介明/左为/周敏团队报道肺前体细胞移植治疗支气管扩张症临床数据

陆前进/赵明团队开发出系统性红斑狼疮的潜在新疗法——新型人源化抗CD132单抗

Cell子刊：浙江大学吕志民团队发现哺乳动物细胞乳酰辅酶A合成酶，揭示其促进组蛋白乳酸化及肿瘤免疫逃逸机制

Nature五连发，90后博导曹云龙在新冠病毒突变株特征及其免疫逃逸机制领域持续获得突破

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉