上為Thy1-EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠全身神經(jīng)（藍(lán)色）和血管（紅色）三維重建，下為抗體標(biāo)記的小鼠全身交感神經(jīng)三維重建。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖
■本報(bào)記者 王敏
生物體內(nèi)，一張由億萬(wàn)外周神經(jīng)纖維編織成的精密“生命物聯(lián)網(wǎng)”，承載著大腦與全身器官的雙向通信，調(diào)控運(yùn)動(dòng)、感覺以及內(nèi)臟的功能。
然而，看清這張網(wǎng)絡(luò)的“真容”卻極其困難。因?yàn)樯窠?jīng)纖維直徑僅為發(fā)絲直徑的幾十分之一，蜿蜒交織遍布全身。長(zhǎng)期以來(lái)，在“看得清”單根神經(jīng)纖維的同時(shí)，如何“看得全”全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整體構(gòu)架，是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域亟待突破的技術(shù)瓶頸。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授畢國(guó)強(qiáng)、劉北明與合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)合作，首創(chuàng)了一套全球最快的小鼠全身亞細(xì)胞分辨率三維成像技術(shù)“blockface-VISoR”。
該技術(shù)僅用40小時(shí)就能完成成年小鼠全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高清成像，并繪制出外周神經(jīng)的精細(xì)圖譜。其成像效率較現(xiàn)有技術(shù)提高數(shù)倍至數(shù)十倍，成像分辨率也從傳統(tǒng)光片顯微成像的組織細(xì)胞級(jí)提升至均一亞細(xì)胞級(jí)，可清晰捕捉直徑數(shù)微米的單根神經(jīng)纖維。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《細(xì)胞》。
畢國(guó)強(qiáng)表示，這項(xiàng)突破性技術(shù)不僅有助于建立外周神經(jīng)連接圖譜研究的新范式，解決神經(jīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性問題，還在發(fā)育生物學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
40小時(shí)實(shí)現(xiàn)小鼠“全身成像”
神經(jīng)系統(tǒng)由中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)組成，是一個(gè)由遍布全身的復(fù)雜神經(jīng)元相互連接的網(wǎng)絡(luò)。
前期研究中，畢國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了全球最快的同步飛掃“VISoR”技術(shù)，在2019年實(shí)現(xiàn)了1.5小時(shí)內(nèi)小鼠全腦的亞微米分辨率成像、2021年實(shí)現(xiàn)了獼猴全腦微米分辨率三維成像。
然而，這種先切片后透明化的全腦成像策略不適用于小鼠全身樣品。“因?yàn)榕c相對(duì)致密均質(zhì)的大腦不同，小鼠身體里有很多相當(dāng)獨(dú)立的內(nèi)臟器官，它們之間又有很多空腔，在切片過(guò)程中很多組織容易散落丟失?！碑厙?guó)強(qiáng)向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹。
針對(duì)這一技術(shù)難題，團(tuán)隊(duì)提出“小鼠全身透明處理-原位切片+切面三維成像”策略，改進(jìn)了小鼠全身透明化處理的流程，研發(fā)了新的“blockface-VISoR”成像系統(tǒng)——在VISoR顯微鏡上直接搭建了一臺(tái)精密自動(dòng)切片裝置。
“具體來(lái)說(shuō)，我們首先對(duì)透明小鼠樣品進(jìn)行逐層切片，然后在切片組織表面下0.6毫米的深度拍攝三維圖像。每拍完一層，就切掉樣品0.4毫米組織。如此循環(huán)推進(jìn)，大約切了200多次后，完成了整只小鼠的全身神經(jīng)圖像采集。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)百層圖像無(wú)縫拼接成完整的三維結(jié)構(gòu)?！碑厙?guó)強(qiáng)說(shuō)。
這種策略解決了小鼠樣品整體成像時(shí)深層組織模糊的問題，首次在40小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了成年小鼠全身均一的亞細(xì)胞分辨率三維成像，可以清晰看見小鼠的單根神經(jīng)纖維。據(jù)悉，單只小鼠可產(chǎn)生約7萬(wàn)GB的龐大原始圖像數(shù)據(jù)，相當(dāng)于數(shù)千部高清電影。
《細(xì)胞》審稿人評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作說(shuō)：“這些分析在群體和單細(xì)胞層面均產(chǎn)生了驚人的精細(xì)數(shù)據(jù)。尤為重要的是，這項(xiàng)技術(shù)的初步應(yīng)用為相關(guān)研究帶來(lái)了新見解?！?span style="display:none">G9V即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
開啟“看見全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”新時(shí)代
值得一提的是，由于樣品制備方法具備高熒光保存性，“blockface-VISoR”成像技術(shù)可以兼容神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域常用的標(biāo)記方法。
畢國(guó)強(qiáng)介紹，比如，當(dāng)前的工作與轉(zhuǎn)基因鼠熒光標(biāo)記、免疫熒光標(biāo)記和嗜神經(jīng)病毒示蹤方法結(jié)合，可精確解析腦神經(jīng)、脊神經(jīng)和自主神經(jīng)等不同類型外周神經(jīng)的三維連接結(jié)構(gòu)，為中樞-外周神經(jīng)圖譜繪制、疾病機(jī)制解析等提供全維度研究技術(shù)。
此次研究中，團(tuán)隊(duì)取得了一系列突破性成果：通過(guò)追蹤單根神經(jīng)纖維，首次發(fā)現(xiàn)脊神經(jīng)元投射的新特征；通過(guò)全身免疫熒光標(biāo)記，構(gòu)建首個(gè)小鼠全身交感神經(jīng)系統(tǒng)的高精度圖譜……
“眼見為實(shí)。我們可以不依賴間接證據(jù)，直接‘看見’全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何精密連接、如何與不同組織器官互相作用?！碑厙?guó)強(qiáng)認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)有望通過(guò)系統(tǒng)破解“生命物聯(lián)網(wǎng)”的線路圖，幫助解答生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域許多懸而未決的關(guān)鍵問題，并為未來(lái)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)新技術(shù)的開發(fā)奠定底層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
例如，通過(guò)全面精準(zhǔn)定位神經(jīng)退行性疾病的早期結(jié)構(gòu)變異，明確疾病的致病機(jī)理；以可視化方式評(píng)估藥物對(duì)全身組織和器官的靶向效果，加速藥物研發(fā)進(jìn)程；通過(guò)了解交感和迷走神經(jīng)的準(zhǔn)確投射路徑，優(yōu)化外周神經(jīng)調(diào)控療法。此外，未來(lái)還可以通過(guò)人體成像，把千年歷史的人體解剖圖譜升級(jí)為具有細(xì)胞分辨率的介觀數(shù)字生命模型，為器官再造組織工程提供藍(lán)圖。
以技術(shù)和數(shù)據(jù)推動(dòng)生物醫(yī)藥交叉合作
對(duì)于該研究，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校神經(jīng)物理學(xué)家David Kleinfeld和Beth Friedman認(rèn)為，近幾十年來(lái)，全身性功能的理解長(zhǎng)期受限于缺乏完整的周圍神經(jīng)環(huán)路圖譜，“畢國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的開創(chuàng)性工作，將高通量全身成像技術(shù)推至能夠繪制腦神經(jīng)與外周神經(jīng)的單神經(jīng)元纖維水平圖譜。該新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的完整性與精確性，為整合神經(jīng)功能與動(dòng)物系統(tǒng)生理學(xué)研究提供了急需的技術(shù)框架，標(biāo)志著向整體觀工程研究范式的重要轉(zhuǎn)變”。
畢國(guó)強(qiáng)表示，blockface-VISoR成像技術(shù)仍有改進(jìn)空間。下一步，團(tuán)隊(duì)將通過(guò)升級(jí)多相機(jī)成像系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)采集效率，探索在更大尺度生物樣品成像領(lǐng)域的應(yīng)用。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將持續(xù)公開研究成果圖像數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)資源全球共享，以技術(shù)和數(shù)據(jù)推動(dòng)生物醫(yī)藥交叉合作。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.011
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》(2025-07-15 第1版 要聞)本文鏈接：http://www.enbeike.cn/news-8-6037-0.html“纖”毫畢見！新技術(shù)實(shí)現(xiàn)小鼠最快“全身成像”
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