中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和生命科學與醫學部教授畢國強與劉北明，聯合合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院和中國科學院深圳先進技術研究院的科研人員，在大尺度生物組織三維顯微成像領域取得重要突破。該團隊開發出目前世界最快的小動物全身亞細胞級高清三維成像技術，實現了周圍神經系統精細圖譜的高效繪制。
周圍神經系統作為機體的“物聯網”，承載著大腦與全身器官間的雙向通訊與調控任務，一方面發揮傳遞運動指令、調控呼吸和心跳等功能，另一方面將痛覺和溫度覺等感知信號實時回傳至中樞以進行處理，從而協同各組織器官活動。繪制遍布全身的周圍神經系統的精細連接圖譜，是探討其復雜功能機制和相關疾病機理的關鍵。
長期以來，科學家對周圍神經系統整體構架的認知主要依賴于毫米級分辨率的解剖學研究。近10年來，三維光學顯微技術的發展推動了微米級分辨率全腦介觀神經圖譜的解析，但全身周圍神經系統的研究仍存在技術瓶頸。現有前沿成像技術難以同時兼顧高分辨率和高成像速度，即便結合全身樣品透明化處理，仍難以在小鼠全身尺度以亞細胞分辨率解析周圍神經系統復雜的長程通路結構。
此前，研究團隊開發了新型同步飛掃技術VISoR。VISoR結合大體積生物樣品厚切片和透明化處理進行三維顯微成像。VISoR兼具高速、高分辨率和可擴展性，可在1.5小時內完成小鼠全腦樣品的亞微米分辨率成像，并在進一步優化后實現獼猴全腦亞細胞分辨率三維成像和單神經纖維追蹤。然而，這種先切片后透明化成像的全腦成像策略不適用于小鼠全身樣品。與相對致密、均質的大腦不同，小鼠全身組織異質性高，包含多樣化的組織類型和不規則結構，在切片過程中易發生組織離散和丟失，導致難以完整重構。
針對這一技術難題，該團隊提出“樣品原位切片+切面三維成像”策略，并研發出整合精密振動切片裝置的blockface-VISoR成像系統以及配套的小鼠全身透明化和水凝膠包埋的樣品制備流程ARCHmap。該技術流程的核心在于，每次僅對樣品塊表面約600微米深度進行三維成像，進而自動切除已成像的400微米厚度樣品，循環此過程直至樣品成像完畢。進一步，團隊利用自動化拼接算法對相鄰切片間約200微米的重疊區域進行三維無縫拼接重構。由于每次掃描成像深度僅數百微米，組織透明化后的光散射效應弱，因此可以實現高分辨率成像。基于這一策略，科研人員建立了優化的技術流程，在40小時內完成了成年小鼠全身均一亞細胞分辨率三維成像，獲得了單通道約70 TB原始圖像數據。目前累計采集數十只小鼠數據，總量超過4 PB。
由于樣品制備方法具備高熒光保存性的優勢，ARCHmap-blockface-VISoR技術兼容神經科學領域常用的轉基因和嗜神經病毒攜帶的熒光蛋白以及免疫熒光等標記方法。結合上述標記和成像技術，研究發現了小鼠全身不同類型周圍神經的精細結構和單纖維投射路徑，揭示了單個脊神經元的跨節段投射特征，闡明了全身交感神經的器官特異性伴血管分布模式，解析了迷走神經的整體投射構架和單纖維復雜投射路徑。
這項技術有助于建立周圍神經連接圖譜研究新范式以及解析神經調控結構的基礎性問題，在發育生物學、系統解剖學和生物醫藥等領域具有應用前景。同時，該技術仍有優化空間，下一步將通過使用雙相機或多相機成像進行多通道圖像同時采集，提高數據采集效率，探索其在更大尺度生物樣品成像領域中的應用。
7月10日，相關研究成果發表在《細胞》（Cell）上。研究工作得到得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目、中國科學院戰略性先導科技專項和安徽省自然科學基金等的支持。
論文鏈接
實驗技術和示范數據集鏈接
blockface-VISoR成像系統
小鼠全身blockface-VISoR成像流程與周圍神經介觀結構解析
本文鏈接：研究實現小鼠全身“高清全景成像”?繪制周圍神經亞細胞級圖譜http://www.sq15.cn/show-12-1441-0.html
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