新的显微成像方法能深入到活的大脑成像

一种新的成像方法可以捕捉老鼠大脑深处的血管系统图像。左侧为常规可见光谱下无创拍摄的小鼠大脑广域荧光图像，右侧为在NIR-II光谱窗口操作的基于定位的无创DOLI方法。资料来源:Daniel Razansky，大学和苏黎世联邦理工学院

研究人员开发了一种新技术，允许荧光显微镜成像的深度是光扩散限制的四倍。荧光显微镜通常用于各种疾病动物模型的大脑分子和细胞细节成像，但到目前为止，由于皮肤和颅骨强烈的光散射，仅限于小体积和高侵袭性的部位。

研究小组组长Daniel Razansky说，他来自瑞士的苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院。

“我们的研究首次表明，3D荧光显微镜在成年小鼠的毛细血管水平上完全无创地进行，有效地覆盖约1厘米的视野。”

在《光学》杂志上，研究人员描述了他们的新技术，称为漫射光学定位成像(DOLI)。

它利用了被称为第二近红外(NIR-II)光谱窗口的1000到1700纳米，这显示出更少的散射。

Razansky说:“在深层活体组织中实现高分辨率光学观测是生物医学成像领域的长期目标。”

“DOLI对深层组织光学观察的高分辨率可以提供大脑的功能洞察，使其成为研究神经活动、微循环、神经血管耦合和神经退行性变的一个有前途的平台。”

这种新技术叫做漫射光学定位成像(DOLI)，利用了1000到1700纳米的NIR-II光谱窗口，这显示出更少的散射。第一作者周全宇用成像装置展示。资料来源:Daniel Razansky，苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院

获得更深的深度

对于这项新技术，研究人员通过静脉注射将荧光微滴注入活老鼠体内，其浓度在血液中形成稀疏分布。追踪这些流动的目标可以重建小鼠大脑深处微血管的高分辨率地图。

Razansky说:“这种方法消除了背景光散射，并且在头皮和头骨完整的情况下进行。”“有趣的是，我们还观察到相机记录的斑点大小与大脑中的微滴深度有很强的依赖性，这使得深度分辨成像成为可能。”

这种新方法得益于最近引进的基于砷化镓传感器的高效短波红外摄像机。另一个关键组成部分是在NIR-ll窗口显示强烈荧光响应的新型造影剂的使用，如基于硫化铅(PbS)的量子点。

研究人员在模拟平均脑组织特性的组织幻象中测试了这项新技术，证明他们可以在光学不透明的组织中获得高达4毫米深度的显微分辨率图像。资料来源:Daniel Razansky，苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院

研究人员首先在人造组织模型中测试了这种新技术，这种组织模型被称为“组织幻影”，模拟了大脑组织的平均特性，证明了他们可以在“光学不透明的组织中获得高达4毫米深度的微观分辨率图像”。然后，他们在活老鼠身上进行了DOLI，大脑微血管系统以及血流速度和方向可以完全无创地可视化。

研究人员正在努力优化所有三个维度的精度，以提高DOLI的分辨率。他们还在开发更小、荧光强度更强、体内更稳定的改良荧光剂。这将显著提高DOLI的性能，在可实现的信噪比和成像深度方面。

Razansky说:“我们预计DOLI将成为一种强大的生物荧光成像方法，在以前无法达到的深度和分辨率条件下。”“这将大大提高荧光显微镜和断层扫描技术在体内的适用性。”