2024年11月22日，《Nature Methods》期刊在线发表了题为《Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals》的研究论文。该研究由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）王凯研究组完成。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。
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。
总结而言，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）的博士毕业生张宇杰为该研究的第一作者，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，王凯研究员为本论文的通讯作者。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。
