研究人员开发了一种新的显微镜技术，可以从包括大脑在内的生物组织内约100微米深处获得亚细胞结构的三维超分辨率图像。 通过让科学家更深入地观察大脑，该方法可以帮助揭示随着时间的推移、在学习过程中或由于疾病而在神经元中发生的微妙变化。

这种新方法是STED显微镜的延伸，这是一种突破性的技术，通过克服光学显微镜的传统衍射限制，实现了纳米级的分辨率。斯特凡·赫尔因开发这种超分辨率成像技术而获得2014年诺贝尔化学奖。

在光学学会（OSA）的高影响力研究杂志《Optica》上，研究人员描述了他们如何使用他们的新STED显微镜，以超分辨率对活体小鼠大脑深处的树突状刺的三维结构进行成像。树突棘是神经元树枝上的微小突起，它接受来自邻近神经元的突触输入，在神经元活动中起着至关重要的作用。

"我们的显微镜是世界上第一台在活体动物体内深处实现3D STED超分辨率的仪器，"研究小组负责人、耶鲁大学医学院的Joerg Bewersdorf说。"Bewersdorf说："深层组织成像技术的这种进步将使研究人员能够直接观察到原生组织环境中的亚细胞结构和动态变化。"以这种方式研究细胞行为的能力对于全面了解生物医学研究以及药物开发的生物现象至关重要"。

研究人员使用他的3D-2PE-STED显微镜对一只活体小鼠的大脑进行成像。放大树突的一部分可以看到单个脊柱的三维结构。资料来源：Joerg Bewersdorf，耶鲁大学医学院。

更深入的研究

传统的STED显微镜最常被用来为培养的细胞标本成像。使用该技术对厚的组织或活体动物进行成像是一个很大的挑战，特别是当STED的超分辨率优势被扩展到三维STED的第三维时。出现这种限制是因为厚而密集的组织阻碍了光线的深入和正确聚焦，从而损害了STED显微镜的超分辨率能力。

为了克服这一挑战，研究人员将STED显微镜与双光子激发（2PE）和自适应光学技术相结合。"论文第一作者Mary Grace M. Velasco说："2PE通过使用近红外波长而不是可见光，能够在组织的更深处成像。"红外光不易受散射影响，因此能更好地穿透到组织深处"。

研究人员还在他们的系统中加入了自适应光学技术。"Velasco说："使用自适应光学技术可以纠正光线形状的扭曲，即光学畸变，这些畸变在组织内和通过组织成像时出现。"在成像过程中，自适应元件以与标本中的组织完全相反的方式修改光波。因此，来自自适应元件的畸变抵消了来自组织的畸变，从而创造了理想的成像条件，使STED的超分辨率能力在所有三维空间得到恢复。

看清大脑中的变化

研究人员首先通过对盖玻片上的培养细胞的特征结构进行成像来测试他们的3D-2PE-STED技术。与单独使用2PE相比，3D-2PE-STED解决了体积小10倍以上的问题。他们还表明，他们的显微镜可以比传统的双光子显微镜更好地分辨小鼠皮肤细胞核中的DNA分布。

在这些测试之后，研究人员使用他们的3D-2PE-STED显微镜对一只活体小鼠的大脑进行成像。他们放大了树突的一部分，并解决了单个刺的三维结构。两天后，他们对同一区域进行了成像，结果显示，在这段时间内脊柱结构确实发生了变化。研究人员没有在他们的图像中观察到神经元结构的任何变化，也没有在小鼠的行为中观察到可能表明成像造成的损害，他们计划对此进行进一步研究。

Velasco说："树突棘非常小，如果没有超分辨率，就很难看到它们的确切三维形状，更不用说这种形状随着时间的推移而发生的任何变化。3D-2PE-STED现在提供了观察这些变化的手段，而且不仅是在大脑的表层，而且是在更深的内部，在那里有更多有趣的连接发生。"

原标题：研究人员首次在活体小鼠体内捕捉到3D超分辨率图像