科大研究人員在前所未有的深度實現了小鼠大腦皮層近無創活體成像

香港科技大學（科大）的一個研究小組首次實現穿過完整的小鼠頭骨在腦膜下方750微米這一前所未有的深度，對小鼠大腦皮層內的微小神經結構進行活體成像。這一研究能夠以接近無創的方式在大腦皮層中進行高分辨成像，將進一步促進大腦科學的研究。

對活體大腦中神經元、神經膠質細胞和微血管系統進行直接而非侵入式成像對於增強我們對大腦功能的理解至關重要。近幾十年來，人們一直致力於開發用於完整大腦活體成像的新技術。然而，超聲波成像（超聲波）、正電子發射斷層掃描（PET）和磁力共振成像（MRI）等等現行技術都無法提供足夠的空間解像度來對亞細胞水平的生物結構進行觀察。

雖然三光子顯微技術（3PM）等光學顯微技術可以對活體樣本的結構和功能信息進行高時空解像度顯微成像，然而，當光穿過不均勻的生物組織並與其相互作用時，就會產生光學像差和散射，這從根本上限制了光學顯微鏡在解像度和成像深度上的性能。

要矯正像差並恢復光學顯微鏡在活體成像時的解像度，自適應光學（AO）有希望成為一種解決方案，但它並非沒有缺點：當成像深度增加時，用於傳統波前傳感的導星信號會迅速消失。

在電子及計算機工程學系教授瞿佳男教授和生命科學部講座教授葉玉如教授的共同領導下，科大的研究團隊最近開發了一種結合了3PM和兩種AO技術的顯微鏡，實現了對組織深處中低階和高階像差的快速測量和校正。

該系統利用了兩種 AO 技術：基於相敏感方法直接測量焦點電場分布技術和遙距調焦共軛自適應光學技術（CAO）。通過對導星信號進行編碼再解碼，該方法實現了對像差的快速AO測量和校正。這一方法能夠準確測量激光在組織中帶像差的電場點擴散函數，同時快速校正大腦中大成像體積內的像差。

該團隊使用1300納米的激發波長驗証了 AO-3PM 系統的成像性能，實現了穿過完整的頭骨在活體小鼠和體外試劑上成像。結果表明，AO-3PM 實現了高空間解像度，在大腦深處顯著提升了熒光信號，並在軟腦膜下方高達750微米的深度對小鼠大腦皮質進行了高解像度的結構和功能成像。

此外，通過使用孔徑 AO-3PM，該團隊實現了對開顱手術後的大腦內軟腦膜下方高達1.1毫米深處的亞皮層結構的高分辨率成像。利用他們獨特的 AO 技術提供的小焦點，該研究小組進一步展示了 AO-3PM 引導精確激光手術的能力，以及穿過完整小鼠頭骨研究大腦皮質中小膠質細胞在手術後的變化的潛力。

瞿教授說：「利用電子技術和光學技術的交叉為實驗生物學提供一種新工具，這絕對是一件有趣的事情。總的來說，我們的研究結果表明，AO-3PM 技術在促進活體成像技術和活體大腦研究方面具有巨大潛力。」

葉教授解釋道：「這種先進的 AO-3PM 系統能夠實現的效果確實令人驚嘆，這種在最佳的生理條件下對大腦深處成像的先進技術的高性能和無與倫比的準確性將大大拓闊我們對活腦的理解。」

研究結果最近於《Nature Biotechnology》發表。

（原文於2022年6月13日在EurekAlert刊登。）