作者:记者 唐琳 来源: 发布时间:2018-6-26 16:31:58
海森结构光显微镜:超灵敏 高分辨

 
人类的大脑犹如一个小小的宇宙,包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触,隐藏着世界上最美丽而又最深邃的奥秘。
 
所谓工欲善其事,必先利其器。为了能够进一步揭开大脑的神秘面纱,全球科研人员都在致力于打造用于解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具:从随机光学重建显微镜(STORM),到荧光光敏定位显微镜(FPALM),再到摘得2014年诺贝尔化学奖的受激辐射损耗超高分辨率显微镜(STED)……探索从未止步。
 
近日,国际权威学术期刊《自然—生物技术》以在线形式全文发表了一项来自中国的最新研究成果:北京星际争霸2吧的陈良怡团队联合华中科技星际争霸2吧谭山团队,研发出一种超灵敏的结构光超高分辨率显微镜——海森结构光显微镜(Hessian SIM),从而将光学显微镜的性能再度提升到了一个新的高度。
 
超灵敏 高分辨
 
分辨率通常被认作是光学显微镜的生命,而由我国科学家自主研发的海森结构光显微镜,堪称将这一点做到了“极致”。
 
在每秒钟得到188张超高分辨率图像时,海森结构光显微镜的空间分辨率可达85纳米,即能够分辨单根头发的1/600~1/800大小结构,而其所需要的光照度却小于常用的共聚焦显微镜光照度3个数量级。
 
同时,鉴于极低的光漂白以及光毒性,这款新型显微镜还实现了100Hz超高分辨率成像下,连续采样10分钟得到18万张超高分辨率图像以及在1Hz超高分辨率成像下,连续1小时超高分辨率成像基本无光漂白。
 
也许通过对比更能清晰地展示海森结构光显微镜卓越的性能。与2014年摘得诺贝尔化学奖桂冠的STED显微镜相比,这款海森结构光显微镜凭借着极高的时间分辨率、极低的光毒性而在活细胞超高分辨率成像方面呈现出显著的优势。
 
举例来说,在观察细胞内囊泡与细胞质膜融合释放神经递质和激素这一过程时,虽然海森结构光显微镜与STED显微镜均可以观察到囊泡融合形成的孔道,但是前者在此基础上,还进一步解析出了囊泡融合时的4个不同中间态:包括囊泡打开3纳米小孔、囊泡塌陷、融合孔道维持以及最后的囊泡与细胞质膜完全融合,可谓真正实现了膜孔道形成全过程的可视化。
 
“除此之外,应用海森结构光显微镜我们还实现了细胞‘能量工厂’线粒体的超快超分辨成像,首次在活细胞中解析了线粒体融合、分裂时内嵴的活动,以及线粒体内嵴自身的重组装过程,也能够观察活细胞内内质网与线粒体发生相互作用时的动态变化。”此项工作的通讯作者之一、北京星际争霸2吧分子医学研究所研究员陈良怡告诉《科学新闻》。
 
而实际上,此前在该领域内,无论是STED还是STORM都无法做到这一点,由此更凸显出超灵敏海森结构光显微镜在观察光毒性敏感的细胞器如线粒体动态结构方面的独特优势。
 
在研发团队看来,海森结构光显微镜诞生的意义,一方面在于其是对基于硬件自主设计的新偏振旋转玻片阵列、高精度的时序控制程序以及高数值孔径物镜的应用;另一方面则在于它创新的重构算法,即借鉴了人眼区分信号和噪声的机制,首次提出将“生物样本在多维时空上连续、而噪声是完全随机分布”的先验知识用于构建海森矩阵,指导超高分辨率荧光图像的重建。
 
目前,超灵敏海森结构光显微镜是世界上活细胞成像时间最长、时间分辨率最高的超高分辨率显微镜,适用于各种细胞、不同探针的荧光成像。
 
“可以说,所有应用扫描共聚焦显微镜的场景都可以使用海森结构光显微镜,因而其具有广泛的应用前景。”陈良怡介绍道。
 
屡创新 无止境
 
在海森结构光显微镜研发成员名单中,我们看到了一组熟悉的名字:陈良怡、黄小帅。而他们也正是荣登“2017年度中国科学十大进展”的“新一代微型化双光子荧光显微镜”的主创成员。
 
2013年底,国家重大科研仪器研制项目“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”正式启动,其旨在探索如何将下一代的激光、扫描、控制、成像新原理和图像处理新方法等有机结合,应用于在体荧光成像过程。
 
之后,北京星际争霸2吧程和平院士带领一支包括生物成像技术专家陈良怡在内的跨学科团队,整合了光学仪器研发、电路控制、生物学实验等各方面的力量,调集关键设备、确定时间节点,群策群力、夜以继日地攻坚作战,耗时3年多并最终成功“突围”。
 
新一代微型化双光子荧光显微镜体积非常小,仅重2.2克,适于佩戴在小动物头部颅窗上,能够实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号;而在大型动物上,它还有望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。
 
给小鼠戴上这一显微镜后,研究团队经多次实验获取了小鼠在觅食、打斗、嬉戏等自由行为中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。“这是我们第一次观察到自由活动状态下的小鼠是‘怎么想的’。”陈良怡介绍。
 
这一世界成像仪器领域的重大突破,可谓为脑与认知科学、人工智能研究的推进提供了重要工具。也正因如此,它一经问世,便迅速震惊了世界。
 
2014年诺贝尔生理学或医学奖得主Edvard I. Moser专门慕名前来,并用“革命性”来形容这一成果;成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后,更得到多位国内外神经科学家的高度赞誉。
 
无论是新一代微型化双光子荧光显微镜,还是新晋的超灵敏海森结构光显微镜,这些在国家重大科研仪器研制上的一个个硕果,都彰显出这支以年轻PI和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和核心技术创新能力的“中国智造”队伍的强大实力与无限潜力。
 
对于陈良怡和他的团队而言,一切只是开始,创新永无止境。“下一步,我们将继续攻关,以期进一步实现微型化海森结构光的显微在体成像。”陈良怡表示。■
 
《科学新闻》 (科学新闻2018年5月刊 进展)
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