自适应光学双光子显微内镜实现了脑组织突触分辨率成像

香港，2020年10月12日——来自香港科技大学(HKUST)的科学家开发了一种能在突触分辨率下对大脑深层结构进行体内成像的技术。这项名为“自适应光学双光子显微内镜”的技术，使科学家能够获取阐明大脑功能方式所必需的信息，克服了现有成像方法在揭示大脑先前未开发区域的功能的局限性。

该技术将微型内窥镜(GRIN透镜)与现有的自适应光学方法结合使用。GRIN透镜的分辨率很低，而且由于成像视野有限，透镜不能清晰地成像大脑中某些非常小的结构，包括树突棘——从邻近神经元获取信息的神经元突起。自适应光学首先被开发和部署用于地面天文望远镜，以补偿大气的自然光线失真。由于其起源，它使用所谓的“引导星”(一颗预定的亮星)来量化大气的光畸变，然后通过使用可变形反射镜与光相互作用来弥补畸变。

自适应光学双光子显微内镜可以在大视野内以突触分辨率对海马进行体内成像。该图显示了对小鼠海马的研究。图片由香港科技大学提供。

在发展他们的成像技术时，科大的研究人员将自适应光学系统中的光功能并行化，使用局部荧光信号作为生物组织内部的“引导星”来测量内窥镜和组织的像差。

这项技术提供了必要的高分辨率图像，以加快了解神经退行性疾病机理和开发相关治疗方法的速度。特别是对神经元的研究，对于理解信息如何在大脑中传递至关重要，这依赖于高分辨率的形态和功能成像——包括空间和时间上的。而自适应光学双光子显微内镜则两者兼具。虽然电子显微镜提供了必要的高空间分辨率，但不适合活体组织成像。而MRI，正电子发射断层扫描（PET）和超声等非侵入性技术的突触分辨率有限。

光学显微镜虽然具有提供亚细胞分辨率和(对人体组织)无毒性的优势，但也受到组织和成像系统引起的光学散射像差的影响，从而降低了其成像深度。单独的双光子显微镜对人脑皮层区域成像有效，但对皮层下和大脑深层结构成像无效。

研究人员在小鼠身上测试了自适应光学双光子显微内镜，以研究大脑深层(特别是海马体)的神经元可塑性。该应用清楚地揭示了锥体神经元的树突活动与体细胞活动之间的关系。

科大电子与计算机工程系瞿佳男教授说，研究小组成员认定的其他可能使用这项新技术进行研究的大脑区域包括纹状体、黑质和下丘脑。瞿教授与科大负责研究及发展事务的副总裁兼晨兴生命科学Nancy Ip教授合作进行了这项研究。

使用这项技术进行的其他有计划的研究旨在了解阿尔茨海默氏病海马中神经元沟通的障碍，并开发改善该区域神经元沟通的方法。可视化突触所位于的树突棘的数量和大小的变化的能力将改善对记忆障碍期间和/或用候选药物治疗后神经传递调控的理解。