中國科大突破性實現(xiàn)小鼠全身"高清全景成像", 繪制周圍神經(jīng)亞細胞級圖譜
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部畢國強、劉北明教授聯(lián)合合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院團隊，在大尺度生物組織三維顯微成像領(lǐng)域取得重大突破，成功開發(fā)世界最快的小動物全身亞細胞級高清三維成像技術(shù)，實現(xiàn)周圍神經(jīng)系統(tǒng)精細地圖的高效繪制。相關(guān)成果以“High-speed mapping of whole-mouse peripheral nerves at subcellular resolution”為題于北京時間7月10日發(fā)表在《細胞》（Cell）上。
小鼠全身周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)三維可視化
周圍神經(jīng)系統(tǒng)作為人體的"物聯(lián)網(wǎng)"，承載著大腦與全身器官的雙向通訊與調(diào)控：既傳遞運動指令、調(diào)控呼吸心跳等關(guān)鍵功能，又將痛覺、溫度等感知信號實時回傳處理，實現(xiàn)生理功能中各組織器官活動的高效協(xié)同。繪制周圍神經(jīng)系統(tǒng)遍布全身的精細連接圖譜，是從根本上理解其復(fù)雜功能機制和相關(guān)疾病機理的必由之路。
長期以來，科學(xué)家對周圍神經(jīng)系統(tǒng)整體構(gòu)架的認知一直依賴于毫米級分辨率的解剖學(xué)研究。近十年來，三維光學(xué)顯微技術(shù)的進步推動了微米級分辨率的全腦介觀神經(jīng)圖譜解析，但對全身周圍神經(jīng)系統(tǒng)的研究仍面臨技術(shù)瓶頸。現(xiàn)有前沿成像難以兼顧成像分辨率和成像速度，即便結(jié)合全身樣品透明化處理技術(shù)，仍難在小鼠全身尺度以亞細胞分辨率解析周圍神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜的長程神經(jīng)通路結(jié)構(gòu)。
研究團隊此前開發(fā)了新型同步飛掃技術(shù)（VISoR），對大體積生物樣品進行厚切片和透明化處理后進行三維顯微成像。VISoR兼具高速、高分辨率和可擴展性，實現(xiàn)了1.5小時內(nèi)完成小鼠全腦樣品的亞微米分辨成像（王浩、祝清源等，《國家科學(xué)評論》, 2019），并在進一步優(yōu)化后首次實現(xiàn)了獼猴全腦亞細胞分辨率三維成像和單神經(jīng)纖維追蹤（徐放、沈燕、丁露鋒、楊朝宇等，《自然·生物技術(shù)》, 2021）。然而，這種先切片后透明化成像的全腦成像策略不適用于小鼠全身樣品。相較于相對致密均質(zhì)的大腦，小鼠全身異質(zhì)性高，包含多樣組織類型和不規(guī)則結(jié)構(gòu)，切片過程中極易造成組織離散和丟失，導(dǎo)致難以完整重構(gòu)。
針對這一技術(shù)難題，團隊提出“樣品原位切片+切面三維成像”的策略，研發(fā)了整合精密振動切片裝置的blockface-VISoR成像系統(tǒng)，以及相應(yīng)的小鼠全身透明化和水凝膠包埋的樣品制備流程ARCHmap。每次成像僅采集樣品塊表面約600微米深度的三維圖像，然后自動切掉400微米厚度樣品，循環(huán)往復(fù)直至樣品成像完畢。隨后，通過自動化拼接算法對相鄰切片約200微米的重疊區(qū)域進行三維無縫拼接重構(gòu)。由于每次掃描成像深度僅數(shù)百微米，透明化組織光散射效應(yīng)較小，因此可以實現(xiàn)較高分辨率。基于此策略，研究人員建立了優(yōu)化的技術(shù)流程，實現(xiàn)了在40小時內(nèi)完成成年小鼠全身均一亞細胞分辨率三維成像，獲取單通道約70 TB原始圖像數(shù)據(jù)。目前已累計采集數(shù)十只小鼠超過4 PB原始圖像數(shù)據(jù)集。
Blockface-VISoR成像系統(tǒng)
由于該樣品制備方法具備高熒光保存性的優(yōu)勢，研究人員驗證了該技術(shù)兼容神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域常用的轉(zhuǎn)基因和嗜神經(jīng)病毒攜帶的熒光蛋白，以及免疫熒光等標記方法。結(jié)合上述標記和成像技術(shù)，研究人員解析了小鼠全身不同類型周圍神經(jīng)的精細結(jié)構(gòu)和單纖維投射路徑，首次發(fā)現(xiàn)單個脊神經(jīng)元的跨節(jié)段投射特征，闡明了全身交感神經(jīng)的器官特異性伴血管分布模式，并解析了迷走神經(jīng)的整體投射構(gòu)架和單纖維復(fù)雜投射路徑。
小鼠全身透明化blockface-VISoR成像流程與周圍神經(jīng)介觀連接結(jié)構(gòu)解析
研究人員介紹，這項突破性的技術(shù)不僅有助于建立周圍神經(jīng)連接圖譜研究的新范式、解決神經(jīng)調(diào)控相關(guān)基礎(chǔ)性問題，在發(fā)育生物學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用前景。此外，該技術(shù)仍存在改進和優(yōu)化空間，下一步將通過使用雙相機或多相機成像進行多通道圖像同時采集，提高數(shù)據(jù)采集效率，并探索其在其他更大尺度生物樣品成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。
導(dǎo)師與團隊成員討論
《細胞》期刊審稿人高度評價這項工作，提到“這些分析在群體和單細胞層面均產(chǎn)生了驚人的精細數(shù)據(jù)。尤為重要的是，這項初步探索就揭示了全新的洞見”（原文：These analyses produced strikingly detailed data at both the population and single-cell levels. Importantly, new insights emerged from this initial exploration），“這是一項有趣的研究，展示精美，其方法學(xué)呈現(xiàn)出巨大的潛力”（原文：This is an interesting work, beautifully illustrated, and the methodology shows great potential）。
中國科大特任副研究員時美玉、博士生姚雨辰和王淼、碩士生楊琦為論文共同第一作者，畢國強教授為通訊作者，徐程特任副研究員、劉北明教授和祝清源高級工程師為共同通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為本項工作的第一完成單位，合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究和中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院分別為第二和第三完成單位。該工作還得到了安徽大學(xué)屈磊教授、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院徐富強教授、新西蘭奧塔哥大學(xué)張銘教授和Yusuf Ozgur Cakmak教授的合作和支持。此外，該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科大青年創(chuàng)新基金和安徽省自然科學(xué)基金等基金的資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00673-7
實驗技術(shù)和示范數(shù)據(jù)集鏈接：https://mesoanatomy.org/mesomouse/
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）
本文鏈接：http://knowith.com/news-3-3255.html中國科大突破性實現(xiàn)小鼠全身"高清全景成像", 繪制周圍神經(jīng)亞細胞級圖譜
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