新的显微镜系统揭示了脑组织深处的分子活动

无论是出于研究还是医学目的，研究人员都花费了数十年的时间不断突破显微镜的极限，以获得更深、更清晰的大脑活动图像，不仅包括大脑皮层，还包括海马体等大脑下层区域。

　　

出于研究和医学目的，研究人员数十年来一直致力于突破显微镜的极限，力求获得更深入、更清晰的大脑活动图像，这些图像不仅涵盖大脑皮层，还涵盖大脑皮层下方的区域，例如海马体。在一项新研究中，麻省理工学院的科学家和工程师团队展示了一种新型显微镜系统，该系统能够深入观察大脑组织，利用声音探测单个细胞的分子活动。

“这项重大进展使我们能够以单细胞分辨率进行更深入的成像，”神经科学家 Mriganka Sur 说道。Sur 与机械工程教授 Peter So 和首席研究员 Brian Anthony 共同担任该研究的通讯作者。Sur 是麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所和脑与认知科学系的 Paul and Lilah Newton 教授。

在《Light: Science and Applications》 杂志上 ，研究小组证明，他们可以通过诸如 1.1 毫米“脑器官”（由人类干细胞生成的 3D 微型脑样组织）和 0.7 毫米厚的小鼠脑组织切片等样本检测 NAD(P)H，NAD(P)H 是一种与细胞代谢特别是神经元电活动密切相关的分子。

事实上，该显微镜创新设计的共同主要作者、机械工程博士后 W. David Lee 表示，该系统本来可以观察得更深，但测试样本不够大，无法证明这一点。

尽管如此，1.1 毫米的深度比其他显微镜技术解析致密脑组织中 NAD(P)H 的深度高出五倍之多。新系统通过结合多种先进技术，精确高效地激发分子，然后检测其产生的能量，实现了如此高的深度和清晰度，且无需添加任何外部标记（例如通过添加化学物质或基因工程荧光）。

该显微镜并非将所需的NAD(P)H激发能量聚焦于正常峰值吸收率接近紫外光的神经元，而是通过将一束强烈、极短的光（持续时间为千万亿分之一秒）聚焦于正常吸收波长三倍的波长来实现激发。由于光的波长较长（“就像雾灯一样”，Sur说道），这种“三光子”激发能够深入组织，且脑组织散射较少。同时，尽管激发会产生来自NAD(P)H的微弱荧光信号，但大部分吸收的能量会在细胞内产生局部（约10微米）的热膨胀，从而产生声波，与荧光发射相比，声波在组织中传播相对容易。显微镜中灵敏的超声麦克风会检测到这些声波，并在获得足够的声音数据后，软件会将其转换为高分辨率图像（类似于超声波图像）。以这种方式创建的成像称为“三光子光声成像”。

“我们融合了所有这些技术——三光子、无标记、光声检测，”论文共同第一作者、Sur实验室皮考尔研究所的研究科学家Tatsuya Osaki说道。“我们将所有这些尖端技术整合到一个流程中，建立了这个‘多光子输入和声学输出’平台。”

Lee和 Osaki 与研究科学家 Xiang Zhang 和博士后 Rebecca Zubajlo 共同领导了这项研究，团队展示了如何通过样本可靠地检测声音信号。到目前为止，随着信号处理的不断改进，该团队已经从不同深度的声音中生成了视觉图像。

在这项研究中，该团队还展示了同步“第三谐波产生”成像，该成像来自三光子刺激，可以精细地呈现细胞结构，以及检测NAD(P)H的光声成像。他们还指出，他们的光声方法可以检测其他分子，例如神经科学家用来指示神经电活动的基因编码钙指示剂GCaMP。

阿尔茨海默氏症和其他应用

随着论文中建立的无标记、多光子、光声显微镜（LF-MP-PAM）概念，该团队现在正展望神经科学和临床应用。

例如，Lee通过创立并出售的Precision Healing Inc.公司，已经证实NAD(P)H成像可以为伤口护理提供信息。已知在大脑中，这种分子的水平会在阿尔茨海默病、雷特综合征和癫痫等疾病中发生变化，这使得它成为一种潜在的宝贵生物标记物。由于新系统无需标记（即不添加化学物质或改变基因），它可以用于人体，例如脑外科手术。

该团队的下一步是在活体动物身上进行验证，而不仅仅是在 体外 和 离体 组织中。技术挑战在于，麦克风不能再位于样品与光源的另一侧（就像在当前研究中那样）。它必须位于样品的上方，就像光源一样。

Lee表示，根据新研究的结果，他预计在活体大脑中 2 毫米深度进行全面成像是完全可行的“原则上它应该可行，”他说。