應用自適應光學雙光子內窺鏡技術
實現高分辬率深腦活體成像

以小型哺乳動物為模型的活體腦成像技術對於研究大腦的功能至關重要。然而大腦由數百億個神經元組成，每個神經元都與成千上萬個神經元以突觸相連。突觸是神經元之間的接觸點，具有傳遞資訊的功能。因此，為了真正理解神經元突觸的動態相互作用機理，具有高空間解析度的腦結構和功能成像技術是不可或缺的。

儘管目前已經有許多對大腦進行成像的方法，但它們都有相應的局限性。電子顯微鏡可以提供高空間解析度，但不適合活體組織的成像。常見的非入侵性技術，例如CT，MRI / fMRI，PET和超聲波，其空間解析度有限，不能對神經元乃至突觸進行成像。光學顯微鏡能提供亞細胞解析度並且對生物樣品沒有毒性，但其成像深度受到生物組織和成像系統引起的光學像差和散射的限制。因此，雙光子顯微鏡僅適用於腦皮層區域的成像，而無法對皮層下和深層的大腦結構進行成像。

鑒於生命科學研究有更高成像能力的需求，香港科技大學的一組科學家將目光集中在實現突觸解析度的活體大腦成像上。電子及計算機工程學系瞿佳男教授和副校長（研究及發展）及晨興生命科學教授葉玉如教授合作開發了一種新的成像技術——自我調整光學雙光子內窺鏡——可以對深層大腦結構進行高解析度的活體成像。值得留意的是，這項技術可用於揭示尚未被深入研究的大腦區域的功能。

該小組隨後利用自我調整光學雙光子內窺鏡系統研究一種關鍵的深層大腦結構——海馬體的神經元可塑性，並揭示了海馬體內錐體神經元的細胞體和樹突活動之間的關係。這項研究的發現最近發表在2020年9月30日的權威《科學進展》雜誌上。

瞿教授說：「這項技術可以用於對其他深層大腦結構的成像，例如紋狀體，黑質和下丘腦。因此，這是一個令人興奮的技術，在理解大腦功能和促進深層腦神經科學研究方面具有巨大潛力。」

葉教授的工作旨在研究阿爾茲海默症中海馬體的病變以及神經元資訊傳遞的障礙，她對開發改善海馬神經元溝通的方式特別感興趣。能夠動態觀察樹突棘的數量和形態是十分重要的，這能大大地改善對記憶障礙期間或用候選治療藥物治療後神經傳遞調控的理解。

葉教授指出：「雙光子內窺鏡系統的發展意義重大。我們現在可以檢查海馬結構突觸的動態變化。與此同時，我們還能夠檢查海馬中不同數量的神經元的放電活動。這將有助於我們瞭解學習和記憶的分子基礎以及其在許多神經系統疾病中記憶功能障礙的作用。」

在他們的研究中，該小組曾嘗試使用一種稱為GRIN透鏡的微型內窺鏡對海馬神經元進行成像。然而，GRIN透鏡的解析度低並且成像視場受到限制。因此，無法清晰地看到微小的結構，例如樹突棘，即從鄰近神經元接收資訊的神經元突觸。這就是自我調整光學技術被用來解決的問題。自我調整光學技術最初是為地面天文望遠鏡開發的，目的是補償大氣帶來的光學相差，它採用一顆明亮的恒星或所謂的「導星」來測量大氣的光畸變，然後通過使用可變形鏡改變波前來對其進行相應的補償。在開發自我調整光學雙光子顯微鏡系統時，科大小組類似地將局部螢光信號用作生物組織內部的「導星」，這使他們能夠測量內窺鏡以及腦組織引入的像差。

瞿教授補充：「以高解析度對深部大腦進行即時成像的能力長期以來一直是一個挑戰。借助自我調整光學雙光子內窺鏡，我們現在能過夠以前所未有的解析度來研究深部大腦的結構和功能，這將極大地促進我們對許多神經退行性疾病的機理的理解，同時也加速了對相關疾病治療的藥物開發。」

（原文於2020年10月6日在EurekAlert刊登。）