Science：新技术实现活体小鼠大脑高清晰成像

利用开发的STED显微镜，克斯-普朗克生物物理化学研究所的Stefan Hell研究小组首次成功地拍摄下了活体小鼠大脑中的详细图像。以前所未有的低于70纳米的分辨率捕获的图像，使得神经细胞间相互沟通的微小结构也得以显现出来。这一成果发表在2月3日的《科学》(Science）杂志上。

　　

生物通报道  探究复杂的大脑结构是为了能够破解大脑的功能机制——来自马克斯-普朗克生物物理化学研究所的Stefan Hell研究小组朝这一目标迈进了重要的一步。利用Hell开发的STED显微镜，科学家们首次成功地拍摄下了活体小鼠大脑中的详细图像。以前所未有的低于70纳米的分辨率捕获的图像，使得神经细胞间相互沟通的微小结构也得以显现出来。STED显微镜的应用为神经学家破解大脑中的基本过程开辟了许多新可能性。这一成果发表在2月3日的《科学》(Science）杂志上。

每天巨大数量的信息不仅仅是穿过我们的信息高速高路；我们的大脑还必须对这些海量的数据进行处理。为了达到这一要求，大约会有1000亿个神经细胞分别与邻近的数千个神经细胞建立联系，通过接触位点——突触进行完整的数据交换。只有当神经细胞在正确的时间点和正确的位置通过这样的接触位点相互沟通，大脑才能精确完成它的各种复杂任务：弹奏难度很大的钢琴曲，学习玩杂耍，或记住多年未见的熟人的名字。

通过观察它们的工作，我们可以获得大脑中这些重要接触位点更多信息。新突触在何时何地形成，为什么它们会在别处消失？这并不容易确定，因为当前关于活体神经细胞的详细信息都是研究人员利用光学显微镜观察得到的。由于光的衍射现象，接近于200纳米的结构显现出来就是一个模糊的点。马克斯-普朗克生物物理化学研究所的Stefan Hell和研究小组开发的STED显微镜是一项可突破这一分辨率限制的新技术。其采用一种简单的策略：将黑暗中位置靠近的元件放置在特殊的激光束下，使它们能够依次，而非同时发射荧光，从而可以加以区分。利用这一技术，Hell的研究小组将分辨率提高到了传统光学显微镜的10倍。

STED显微镜可应用于从材料学研究到细胞生物学等广泛领域。在这一显微镜下，可获得对细胞培养物和组织样品独特见解。单个神经细胞的首个实时视频证实微型的囊泡递质在长神经细胞末端发生了迁移。

愿望成真

1年前的一个雄心勃勃的愿望——在高分辨率下纳米范围内实现对高等活体生物体的研究——如今变为了现实。利用STED显微镜直接观察活体小鼠的大脑，Hell 和他的研究小组第一次获得了小鼠大脑上皮层的神经细胞图像。

“利用我们STED显微镜，我们可以清楚地看到活体小鼠大脑中神经细胞精细的突触结构。70纳米的分辨率使得我们能够轻易就识别出这些蘑菇头形的树突棘，” Hell解释说。它们是到目前为止获得对于大脑中这些基本的接触位点最清晰的图像。

“为了使它们可见，我们对小鼠进行了遗传修饰，使它们的神经细胞生成了大量的黄色荧光蛋白。我们观察到这些蛋白迁移到了神经细胞的分支，甚至是最小、最精细的结构中，”Hell’部门的博士后研究人员 Katrin Willig说。

这些用于实验的遗传修饰小鼠来源于马克斯-普朗克实验医学研究所的 Frank Kirchhoff研究团队。在对神经细胞进行的7-8分钟的成像过程中，研究人员获得了一些惊人的发现：树突棘头部能够移动便改变它们的形状。

“在未来，这些超精细动态成像甚至可以显示出这些接触位点某些蛋白质的分布情况，”Hell补充说。Hel研究小组希望通过利用这些越来越精细的大脑结构图谱，能够在分子水平上阐明突触的组成和功能。此外，这些见解也能够有助于更好地了解突触功能异常所导致的疾病，例如自闭症和癫痫等。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Nanoscopy in a Living Mouse Brain

We demonstrated superresolution optical microscopy in a living higher animal. Stimulated emission depletion (STED) fluorescence nanoscopy reveals neurons in the cerebral cortex of a mouse with <70-nanometer resolution. Dendritic spines and their subtle changes can be observed at their relevant scales over extended periods of time.