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化工仪器网 项目成果】近日，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)王凯团队在神经科学领域取得了重大突破，他们成功开发了一种新型超分辨显微成像技术，该技术能够在清醒动物中对神经元的快速动态进行超分辨率光学成像和解析。这一研究成果于2024年11月22日在国际顶级学术期刊Nature Methods上发表，题为“Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals”。
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，一直是生命科学的重要研究内容。然而，传统的光学显微镜受限于光学衍射效应，无法突破200~300纳米的分辨率极限，使得科学家们难以进一步观察和研究更精细的结构和动态。这一局限性在神经科学研究中尤为突出，因为神经元突触等关键结构的形态和功能可塑性对于学习记忆等生理过程至关重要。
为了克服这一技术难题，王凯团队创新提出了多模式复用结构光线照明超分辨显微成像技术(MLS-SIM)。该技术的核心在于在单次线扫描成像过程中，通过快速切换不同的线照明模式来分别获得三个方向上的超分辨信息，并结合新的超分辨重构理论框架，实现准确高效的超分辨图像重构。这一创新不仅解决了背景噪声干扰和运动伪影两大技术难题，还使得在清醒动物中对神经元的快速动态进行超分辨率光学成像成为可能。
MLS-SIM技术的横向分辨率可达150纳米，甚至可以通过非线性荧光激发提高至约100纳米，同时保持对样品运动的高容忍度。这意味着科学家们可以首次在清醒动物中观察到神经元树突棘和轴突终扣上快速变化的尖刺动态，并量化研究清醒-睡眠循环中神经元的微观快速动态的改变。
利用这一新技术，王凯团队在清醒的小鼠大脑中发现了许多新的现象。他们观察到，神经元树突棘和轴突终扣上存在着快速变化的尖刺动态，这些动态变化与学习记忆等生理过程密切相关。此外，他们还通过双色超分辨同时成像技术，探究了PSD-95蛋白聚团的微观结构与树突棘发生之间的联系。研究发现，树突主干上的PSD-95聚团和主干上的小突起存在着显著的共定位现象，这一新发现的小突起结构及其与PSD-95的共定位可能暗含树突棘发生的细胞机制。
这一研究成果不仅填补了超分辨显微镜在清醒动物上开展成像的空白，还为神经科学研究提供了新的有力工具。科学家们现在可以更深入地了解神经元突触等关键结构的形态和功能可塑性，这对于揭示学习记忆等生理过程的底层机理、理解大脑工作原理具有重要意义。
王凯团队表示，他们将继续优化和完善MLS-SIM技术，拓展其在神经科学领域的应用范围。未来，这一技术有望为神经科学研究带来更多的突破和发现，推动生命科学研究的深入发展。
作者：宋池
