新方法彻底改变了清醒小鼠的体内脑成像

　　

人类的大脑有数十亿个神经元。它们协同工作，使认知和复杂行为等高级大脑功能得以实现。为了研究这些高阶大脑功能，了解神经活动如何在不同的大脑区域协调是很重要的。尽管功能性磁共振成像(fMRI)等技术能够提供对大脑活动的深入了解，但它们只能显示给定时间和区域的大量信息。双光子显微镜涉及使用颅窗是产生高分辨率图像的强大工具，但传统的颅窗很小，使得同时研究远端大脑区域变得困难。

现在，由生命和生命系统探索研究中心(ExCELLS)和国家生理科学研究所(NIPS)领导的研究小组推出了一种新的活体脑成像方法，可以大规模和长期观察清醒小鼠的神经元结构和活动。这种方法被称为“纳米片结合光固化树脂”(NIRE)方法，它使用覆盖有光固化树脂的含氟聚合物纳米片来创建更大的颅骨窗口。东京科学大学和ExCELLS的主要作者Taiga Takahashi说：“NIRE方法优于以前的方法，因为它可以产生比以前更大的颅骨窗口，从顶叶皮层延伸到小脑，利用生物相容性纳米片和透明光固化树脂，从液体到固体的形式变化。”

在NIRE方法中，光固化树脂被用来固定聚乙烯氧化物涂层的CYTOP (PEO-CYTOP)，一种生物惰性和透明的纳米片，在大脑表面。这就创造了一个“窗口”，可以紧紧贴合大脑表面，甚至小脑的高度弯曲表面，并在很小的机械压力下长时间保持其透明度，使研究人员能够观察活体小鼠的多个大脑区域。

“此外，我们还发现，与之前的方法相比，PEO-CYTOP纳米片和光固化树脂的结合能够在更长的时间内创造出更强的颅骨窗口，透明度更高。因此，几乎没有运动伪影，也就是说，醒着的鼠运动造成的图像扭曲，”Takahashi说。

颅窗允许亚微米分辨率的高分辨率成像，使其适合观察精细神经结构的形态和活动。

“重要的是，NIRE方法可以使成像时间更长，超过6个月，对透明度的影响最小。这应该可以在各个层面上进行长期的神经可塑性研究——从网络水平到细胞水平——以及在成熟、学习和神经变性过程中，”ExCELLS和NIPS的通讯作者Tomomi Nemoto解释说。

这项研究是神经成像领域的一项重大成就，因为这种新颖的方法为研究人员研究以前难以或不可能观察到的神经过程提供了有力的工具。具体来说，NIRE方法能够创建具有长时间透明度和更少运动伪影的大颅骨窗口，应该允许大规模，长期和多尺度的体内脑成像。

“这种方法有望揭开与生长发育、学习和神经系统疾病相关的神经过程的奥秘。潜在的应用包括研究神经群体编码，神经回路重塑，以及依赖于广泛分布区域的协调活动的高阶大脑功能，”Nemoto说。

总之，NIRE方法提供了一个平台，可以在长时间内研究处于清醒状态并从事各种行为的动物在不同水平上的神经可塑性变化，这为增强我们对大脑复杂性和功能的理解提供了新的机会。

Takahashi, T., et al. (2024). Large-scale cranial window for in vivo mouse brain imaging utilizing fluoropolymer nanosheet and light-curable resin. Communications Biology. doi.org/10.1038/s42003-024-05865-8.