令人惊叹的第一个3D超分辨率图像捕获在生活小鼠里面

成像树枝状刺

研究人员开发了一个3D-2PE被删除的系统,可以将树枝状刺在脑袋里的脑内深处。他们的系统显示了第1天和第3天(左图像)之间发生的细微变化。这些变化很难单独使用双光子显微镜(右)。信用:Joerg Bewersdorf,耶鲁医学院

新的STED技术能够深组织成像,揭示神经元的亚细胞动态。

研究人员开发了一种新的显微镜技术,可以从包括大脑的生物组织深度大约100微米的亚细胞结构的3D超分辨率图像。通过将科学家提供深入的观点,该方法可以帮助揭示神经元随着时间的细微变化,在学习期间,或因疾病而导致。

新方法是刺激排放耗尽(STED)显微镜的延伸,这是一种突破性技术,通过克服光学显微镜的传统衍射极限来实现纳米级分辨率。Stefan地狱赢得了2014年诺贝尔化学奖,以开发这种超分辨率的成像技术。yabovip2021

光学,光学社会(OSA)为高影响研究,研究人员描述了它们如何将新的被删除的显微镜用于图像,以超级分辨率,树枝状刺的3D结构在脑内脑中的脑中深入。树枝状刺的神经元的树枝状分支是微小的突起,从邻近神经元接受突触输入。它们在神经元活动中起着至关重要的作用。

“我们的显微镜是世界上第一家在生活中实现3D Super分辨率的世界第一乐器,”来自耶鲁医学院的研究团队Joerg Bewersdorf的领导者表示。“深层组织成像技术的这种进步将使研究人员能够直接可视化其原生组织环境中的亚细胞结构和动力学,”Bewersdorf说。“以这种方式研究蜂窝行为的能力对于获得生物医学研究的生物学现象以及制药的全面了解,这是至关重要的。”


研究人员使用了他们的3D-2PE被删除的显微镜来映像鼠标的大脑。在树突的一部分放大揭示了个别脊柱的3D结构。信用:Joerg Bewersdorf,耶鲁医学院

走强

常规的STED显微镜最常用于图像培养的细胞标本。使用该技术到图像厚组织或活动物的挑战性更具挑战性,特别是当STED的超分辨率效益延伸到3D STED的第三维度时。出现这种限制,因为厚和光学致密的组织防止光深度渗透并从适当地聚焦,从而损害被钉的显微镜的超分辨率能力。

为了克服这一挑战,研究人员将STED显微镜与双光子励磁(2PE)和自适应光学组合。“2PE通过使用近红外波长而不是可见光来实现在组织中的成像,”纸张第一个作者Mary Grace M.Melasco说。“红外线光不易散射,因此更好地渗透到组织中。”

研究人员还向其系统添加了自适应光学器件。Velasco说:“使用自适应光学器件校正光的形状,即光学像差,即在成像和穿过组织时产生的扭曲。”“在成像期间,自适应元件以确切的方式改变光波前的方式使样本中的组织具有。因此,来自自适应元件的像差,因此抵消了来自组织的像差,从而创造了理想的成像条件,使得允许在所有三个维度中恢复的被剥离的超分辨率能力。“

看到大脑的变化

研究人员通过在盖板上首先将其在培养的细胞中成像良好的结构进行了测试的3D-2PE-STED技术。与单独使用2PE相比,3D-2PE-STED已解析量超过10倍以下。他们还表明,他们的显微镜可以解决分布脱氧核糖核酸在小鼠皮肤细胞的细胞核中比传统的双光子显微镜好得多。

在这些测试之后,研究人员使用他们的3D-2PE被删除的显微镜来映像活小鼠的大脑。它们放大了一部分枝晶并解决了个别刺的3D结构。然后,他们两天后对同一个区域进行了成像,并显示了脊柱结构在此期间确实改变了。研究人员没有观察到图像中神经元结构的任何变化,或者在小鼠的行为中表明成像损坏。但是,他们计划进一步研究这一点。

“树突刺如此之小,没有超级分辨率,很难想象他们的精确3D形状,更不用说随着时间的推移对这种形状的任何改变,”Velasco说。“3D-2PE-STED现在提供了观察这些变化的手段,并且不仅在大脑的浅层层中,而且还更深入,其中更多的有趣的联系发生。”

Reference: “3D super-resolution deep-tissue imaging in living mice” by Mary Grace M. Velasco, Mengyang Zhang, Jacopo Antonello, Peng Yuan, Edward S. Allgeyer, Dennis May, Ons M’Saad, Phylicia Kidd, Andrew E. S. Barentine, Valentina Greco, Jaime Grutzendler, Martin J. Booth and Joerg Bewersdorf, 25 March 2021,光学
DOI:10.1364 / OPTICA.416841

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