超分辨成像在脑科学研究应用突破

在探索生命奥秘的征程中，神经生物学一直致力于解读大脑的神秘密码，从神经元的精细结构到复杂的神经回路，从大脑的正常功能到神经疾病的发病机制，每一个问题都吸引着无数科研人员的目光。然而，受限于观测技术，许多微观层面的奥秘长期以来深藏不露。直到单分子定位超分辨显微技术出现，它如同神奇的钥匙，为我们打开了通往神经生物学微观世界的大门，让许多曾经模糊的景象变得清晰可见。
 

研究背景：技术新发现
突破光学衍射极限的神奇技术
单分子定位超分辨显微技术的出现，成功突破了光学衍射极限的束缚，并诞生了多种具有代表性的技术。光激活定位显微技术（PALM）利用光激活荧光蛋白的开关特性，先激活稀疏荧光分子，再激发并捕捉图像，通过多次重复和拟合确定分子位置来重建图像。随机光学重建显微技术（STORM）则使用有机荧光染料，通过染料分子间的能量传递实现开关状态转换，进而完成超分辨成像。基于DNA的纳米形貌成像点积累技术（DNA-PAINT）利用DNA链的特性，通过荧光标记的寡核苷酸与DNA互补链的重复、瞬时结合，实现荧光的开启和关闭，从而实现超分辨重构，为科研人员提供了多样化的研究手段。

三维视角下的微观解析：3D-SMLM技术
细胞生活在三维空间中，传统的二维成像技术无法满足对细胞结构和功能精细化研究的需求，于是三维单分子定位技术（3D-SMLM）应运而生。它的核心在于将单分子的轴向信息通过点扩散函数的平面形状展现出来，主要原理可分四类。

提升成像质量的关键：PSF拟合与像差分析
在3D-SMLM中，PSF定位的精度和准确度对重构图像分辨率起着决定性作用。然而，在实际成像过程中，生物样品会带来像差。生物体内细胞被多种物质包围，具有一定厚度，成像环境复杂，会改变荧光信号，扭曲单分子的形貌，影响定位精度和准确度，导致三维重构结构失真。为了解决这一问题，科研人员采用了两种方法。

自适应光学技术通过测量像差，并利用变形镜、空间光调制器等波前校正元件进行校正，提高成像质量，但由于设备限制，无法完全补偿所有像差。原位点扩散函数检索方法（INSPR）则直接从单分子数据集中构建PSF模型，成功捕捉厚生物样本带来的单分子形貌畸变，提升了定位精度。将自适应光学和INSPR方法联合使用，可以进一步提高三维重构的成像深度和质量，为神经生物学成像提供有力支持。

多色成像：微观世界的多彩画卷
多色单分子定位显微镜技术不仅能提供高分辨率的结构信息，还能分析不同目标分子的空间结构及其相互作用。多色成像的关键在于准确区分和检测目标分子的颜色信息，根据采集方法不同，主要分为顺序采集和同时采集两大类。

技术创新与应用：在神经生物学领域的重大发现
神经元的精细结构解析
神经元是大脑功能的基本单元，其结构和功能的研究一直是神经生物学的重点。在神经元周期性膜骨架方面，研究发现肌动蛋白和血影蛋白在神经元中发挥着重要作用。庄小威团队利用3D-STORM技术，在海马神经元细胞轴突上解析出周期性膜骨架的精细结构，肌动蛋白-帽蛋白复合物呈环状结构均匀排布，血影蛋白四聚体连接在复合物环之间，构成阶梯状长程序列。后续研究还发现这种结构在轴突、树突、树突棘等多个部位均存在，表明它是神经系统细胞骨架的普遍特征，并且在神经元的发育和功能调节中具有重要意义。

突触是神经元之间传递信息的关键部位，与学习、记忆等高级神经功能密切相关。单分子定位超分辨显微技术在突触蛋白纳米结构域的研究中取得了丰硕成果。庄小威团队用多色3D-STORM方法确定了多种突触蛋白之间的距离和空间关系。其他研究也发现了突触后密度蛋白及其聚集的神经递质受体的纳米结构域动态变化，这些变化与突触可塑性密切相关，有助于我们深入理解神经递质信号的传递和突触功能的调控机制。通过原位三维单分子定位超分辨显微技术，科研人员可以绘制大脑神经元单细胞水平的投射图谱。

阿尔兹海默症的研究新突破
淀粉样斑块是AD的主要病理特征之一，由Aβ蛋白异常聚集形成。科研人员利用技术对Aβ聚集过程和聚集物形态进行了详细研究，发现了Aβ斑块内纤维组织的高空间异质性。研究还揭示了Aβ聚集体与突触后受体结合后的毒性作用机制，为AD治疗提供了新的策略方向。神经原纤维缠结也是AD的重要病理特征，STORM技术详细描绘了神经原纤维缠结在神经元胞体和轴突中的不同形态。对AD患者大脑中病理变化的精确位置和分布进行研究至关重要，这些研究有助于我们理解AD的发生进程，为疾病的诊断和治疗提供关键信息。

应用总结与前景
单分子定位超分辨显微技术在神经生物学领域已经取得了令人瞩目的成果，但仍面临一些挑战。神经活动是快速动态变化的过程，需要更高的时间分辨率来捕捉；神经系统细胞种类繁多且相互作用复杂，需要更先进的多色成像技术来区分不同细胞和分子；在研究大脑等神经组织时，需要兼顾不同深度和视场的成像需求。未来，这项技术将朝着复杂生物系统超分辨原位解析和定量生物分析工具两个方向发展。在复杂生物系统研究中，先进的分析方法将进一步增强SMLM提供分子动力学、空间组织和相互作用等信息的能力，帮助我们更精准地解析生命现象。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
乔钰媛, 张亦晴, 陈太龙, 曹健, 刘建丽, 徐帆. 单分子定位超分辨显微技术在神经生物学中的应用（特邀）[J]. 中国激光, 2025, 52(09): 01.

DOI：10.3788/CJL241349.