Nature子刊：无标记的神经元全息成像

要以高分辨率成像一个神经元那样的复杂活细胞并不容易。目前人们所使用的方法都或多或少存在一些局限，而现在科学家们希望通过全息技术来解决这一问题。研究人员以全息技术为基础开发了一种新的成像方法，能够对活细胞进行高分辨的实时研究，文章发表在Nature Photonics杂志上。这一成像方法被称为数字全息显微技术DHM。

　　

生物通报道：要以高分辨率成像一个神经元那样的复杂活细胞并不容易。目前人们所使用的方法都或多或少存在一些局限，而现在科学家们希望通过全息技术来解决这一问题。

多年以来，生物学家们一直期望以电镜的高分辨率来研究完整的活细胞。然而，电镜条件对活细胞有毒性，而光学显微镜的分辨率又受到光学衍射极限的限制。尽管超分辨率显微镜可以规避衍射极限，但这类方法对细胞也并不友好。

全息摄影的原理是Dennis Gabor为了提高电子显微镜的分辨率提出的，生物学家们一般对该技术并不了解。不过瑞士EPFL的Christian Depeursinge教授以全息技术为基础开发了一种新的成像方法，能够对活细胞进行高分辨的实时研究，文章发表在Nature Photonics杂志上。这一成像方法被称为数字全息显微技术DHM。

DHM的一大优势是，不需要进行荧光标记就可以对细胞成像。“DHM使我们可以直接观察活细胞，不需要对细胞采取介入性措施，就可以获得足够的对比度。”文章的第一作者Yann Cotte说。同时，这也避免了引入染料或标记所带来的潜在危害。随着曝光时间的增加，发光的荧光物质会对细胞产生光毒性。DHM不仅无需染料，而且曝光时间特别短，因此对细胞非常友好。这意味着DHM可以对活细胞进行长期的高分辨率研究。

研究人员指出，DHM的另一个重要特性是能够重建细胞。“2D图像只是细胞的阴影，而不是整个细胞，DHM能够为我们提供更加真实的信息。”Cotte说。这对于复杂的细胞活动来说非常重要。以神经元为例，其他成像技术很难在活体内观察到，学习和记忆过程中发生的突触可塑性，而DHM能够通过重建3D细胞影像来展示这一过程。

研究显示，DHM可以展示神经元树突棘发生的动态过程，以及局部神经网络中神经元之间的相互作用。DHM的横向分辨率可以达到70 nm，因此不仅可以显示树突棘的形态，还可以解析细胞内的细胞器，例如囊泡、线粒体、细胞核、高尔基体等。

不过，目前DHM技术还存在着一定的缺陷，例如时间分辨率。在这项研究中，一次全息信息获取需要18秒。不过研究人员指出，这个问题很容易解决，只需要搭配高速相机和扫描装置就行，而这两者都是可以在市面上买到的。因此这一技术完全可以实现对活细胞的实时观察。此外，DHM使用的是405 nm的蓝光，如果波长再长些，那么该技术对活细胞的光毒性会更少，不过这样就势必牺牲一定的分辨率，需要操作者进行适当取舍。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Marker-free phase nanoscopy

 

We introduce a microscopic method that determines quantitative optical properties beyond the optical diffraction limit and allows direct imaging of unstained living biological specimens. In established holographic microscopy, complex fields are measured using interferometric detection, allowing diffraction-limited phase measurements. Here, we show that non-invasive optical nanoscopy can achieve a lateral resolution of 90 nm by using a quasi-2π-holographic detection scheme and complex deconvolution. We record holograms from different illumination directions on the sample plane and observe subwavelength tomographic variations of the specimen. Nanoscale apertures serve to calibrate the tomographic reconstruction and to characterize the imaging system by means of the coherent transfer function. This gives rise to realistic inverse filtering and guarantees true complex field reconstruction. The observations are shown for nanoscopic porous cell frustule (diatoms), for the direct study of bacteria (Escherichia coli), and for a time-lapse approach to explore the dynamics of living dendritic spines (neurones).