应用自适应光学双光子内窥镜技术
实现高分辨率深脑活体成像

以小型哺乳动物为模型的活体脑成像技术对于研究大脑的功能至关重要。然而大脑由数百亿个神经元组成，每个神经元都与成千上万个神经元通过突触相连。突触是神经元之间的交流位点，具有传递信息的功能。因此，为了真正理解神经元突触的动态相互作用机理，具有高空间分辨率的脑结构和功能成像技术是不可或缺的。

尽管目前已经有许多对大脑进行成像的方法，但它们都有相应的局限性。电子显微镜可以提供高空间分辨率，但不适合活体组织的成像。常见的非侵入性技术，例如CT，MRI / fMRI，PET和超声，其空间分辨率有限，不能对神经元乃至突触进行成像。光学显微镜能提供亚细胞分辨率并且对生物样品没有毒性，但其成像深度受到生物组织和成像系统引起的光学像差和散射的限制。因此，双光子显微镜仅适用于脑皮层区域的成像，而无法对皮层下和深层的大脑结构进行成像。

鉴于生命科学研究有更高成像能力的需求，香港科技大学的一组科学家将目光集中在实现突触分辨率的活体大脑成像上。电子及计算机工程学系瞿佳男教授和副校长（研究及发展）及晨兴生命科学教授叶玉如教授合作开发了一种新的成像技术——自适应光学双光子内窥镜——可以对深层大脑结构进行高分辨率的活体成像。值得关注的是，这项技术可用于揭示尚未被深入研究的大脑区域的功能。

该小组随后利用自适应光学双光子内窥镜系统研究一种关键的深层大脑结构——海马体的神经元可塑性，并揭示了海马体内锥体神经元的细胞体和树突活动之间的关系。这项研究的发现最近发表在2020年9月30日的《科学进展》权威杂志上。

瞿教授说：「这项技术可以用于对其他深层大脑结构的成像，例如纹状体，黑质和下丘脑。因此，这是一个令人兴奋的技术，在理解大脑功能和促进深脑神经科学研究方面具有巨大潜力。」

叶教授的工作旨在研究阿尔茨海默症中海马体的病变以及神经元信息传递的障碍，她对开发改善海马神经元沟通的方式特别感兴趣。能够动态观察树突棘的数量和形态是十分重要，这极大地改善对记忆障碍期间或用候选治疗药物治疗后神经传递调控的理解。

叶教授指出：「双光子内窥镜系统的发展意义重大。我们现在可以检查海马结构突触的动态变化。与此同时，我们还能够检查海马中不同数量的神经元的放电活动。这将有助于我们了解学习和记忆的分子基础以及其在许多神经系统疾病中记忆功能障碍的作用。」

在他们的研究中，该小组试图使用一种称为GRIN透镜的微型内窥镜对海马神经元进行成像。然而，GRIN透镜的分辨率低并且成像视场受到限制。因此，无法清晰地看到微小的结构，例如树突棘，即从邻近神经元接收信息的神经元突起。这就是自适应光学技术被用来解决的问题。自适应光学技术最初是为地面天文望远镜开发的，目的是补偿大气带来的光学相差，它采用一颗明亮的恒星或所谓的「导星」来测量大气的光畸变，然后通过使用可变形镜改变波前来对其进行相应的补偿。在开发自适应光学双光子显微镜系统时，科大小组类似地将局部荧光信号用作生物组织内部的「导星」，这使他们能够测量内窥镜以及脑组织引入的像差。

瞿教授補充：「以高分辨率对深部大脑进行实时成像的能力长期以来一直是一个挑战。借助自适应光学双光子内窥镜，我们现在能过够以前所未有的分辨率来研究深部大脑的结构和功能，这将极大地促进我们对许多神经退行性疾病的机理的理解，同时也加速了对相关疾病治疗的药物开发。」

（原文於2020年10月6日在EurekAlert刊登。）