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在神经元的自然状态下，它们的功能和形态动态支持动物的自然行为。超分辨率显微镜可以潜在地揭示这些动态的更高细节，但由于严重的运动伪影，在行为动物中一直具有挑战性。
2024年11月22日，中国科学院脑智卓越创新中心王凯团队在Nature Methods（IF=36）在线发表题为“Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals”的研究论文。该研究报道了一种多路复用、线扫描、结构照明显微镜，它可以承受高达50 μm s−1的运动，同时在其线性和非线性形式下分别实现150 nm和100 nm的横向分辨率。在睡眠-觉醒周期中，研究人员对头部固定的小鼠大脑进行了数千帧和数十分钟的连续成像，以显示树突棘和轴突钮扣的动态。轴突钮扣的超分辨率成像揭示了棘突在秒内的动力学。同时双色成像进一步分析了不同PSD-95簇的空间分布，并为研究它们与头部固定清醒小鼠大脑树突结构动力学的相关性提供了可能性。神经元在形态上是专门的，以支持其在信息整合、转换和通信方面的复杂功能。特别是，这些形态特化，如树突棘、轴突钮扣和它们之间的突触连接，在动物的整个生命周期中不断发生变化，以实现对动物在不同环境中生存至关重要的行为适应。以更高的时空分辨率对行为动物的这些形态动态进行成像，可以更好地理解神经元的生理学及其在功能和可塑性回电路中的网络。传统上，神经元形态学研究是在固定组织上进行的。然而，这种单时间点观测方法在研究高度复杂和可塑性的神经回路的动态变化时效率较低。相比之下，荧光显微镜可以对行为动物的同一神经元进行纵向研究。特别是，双光子显微镜（TPM）已广泛应用于神经元的结构成像，并促进了我们对神经结构可塑性的理解。然而，神经元的许多关键细节超出了传统荧光显微镜的分辨能力。为了解决这一挑战，超分辨率显微镜（SRM）已被应用于光学神经成像，并在研究纳米尺度的精细结构和分子组织方面显示出价值。MLS-SIM（图源自Nature Methods）SRM可以克服衍射造成的分辨率限制（~250 nm），但成像速度通常会大大降低，主要应用于培养细胞和组织切片成像。在活体动物中实现超分辨率成像仍然是一个具有挑战性的前沿，因为活体动物不可避免的任何微小运动都可能导致大量的成像伪影。为了缓解这一问题，在最近的小鼠脑刺激发射耗竭（STED）显微镜成像演示中，动物被麻醉。值得注意的是，可以在低于100 nm的分辨率下跟踪形态特征和纵向变化。结构照明显微镜（SIM）也被应用于麻醉小鼠的脑图像，其中样本运动经过计算校正。然而，麻醉实质上改变了神经回路的正常生理和动物的行为，该领域仍然缺乏一种适用于清醒和行为的动物的超分辨率技术。在这里，研究人员介绍了多路复用、线扫描、结构照明显微镜（MLS-SIM），这是一种SRM，可以免疫运动引起的伪影，并能够在头部固定的清醒和行为动物的大脑中进行纵向超分辨率成像。总之，MLS-SIM结合了光学设计和算法开发的进步，使背景和运动耐受超分辨率成像能够在涉及头部固定行为动物的生物学研究中具有广泛的应用。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41592-024-02535-9
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