基于超快光清除技术的脑信息高分辨率读取

来源：求是风采

项目简介

光学显微技术是脑科学研究的必备工具，然现有技术面临成像深度浅等限制，严重制约脑科学发展，对此，本项目研发了具有完成知识产权的深穿透高分辨脑信息读取，为脑科学进一步发展提供共性关键技术支撑。

Optical microscopy is an indispensable tool for brain science research. However, the existing technology has limited penetration depth, which severely restricts the development of brain science. Here, we developed a high-resolution deep tissue imaging technique based on ultrafast optical clearing, which can provide key technical support for further development of brain science.

研究团队

图1. 本文作者（从左到右）：宋艳春，郑瑶，斯科，

龚薇，祝欣培，俆乔琪

斯科教授所带领的团队主要研究方向为开发先进的显微成像手段以研究神经网络间的信息通信及调控机制。实验室通过“医工信”学科交叉，在组织光清除、深穿透三维成像、精准光遗传光操控等领域做出优秀工作。其研究获国自然重点、面上项目，科技部973项目、国自然重大仪器、军委科技委、省自然基金、省重点研发、省之江实验室重大仪器等资助。主要研究成果已申请或授权专利37个（发明专利24个，实用新型专利13个），并发表在Nature Photonics，PNAS, Journal of Biophotonics, Optics letters, Optics Express, Applied Physics letters等领域著名期刊上。成果被《Science》综述文章引用并高度评价为“开启了新一代显微技术的大门”；入选F1000，并获得“杰出”评价。

科学解读

图2. 团队研发了一种具有完全自主知识产权的

超快速光学清除技术（FOCM）

由于脑科学研究在科学、经济、社会和军事领域的重大价值，各个发达国家正在抢占脑与认知科技的战略制高点。然而，大脑错综复杂，不仅存在着上千亿的神经元，彼此之间又有着百万亿的连接。认识与了解神经网络三维结构是神经科学研究的基础，光学显微成像技术因其高分辨、活体成像、细胞特异性标记等优良特性，成为神经科学研究的必备工具，美国的部分科学家甚至认为美国“脑计划”的成功与否取决于光学技术的发展。

 近年来已发展出相当多的光学显微技术，在分辨率和成像速度上均取得了巨大的进步。然而，对脑组织不透明，针对其深部的高通量高分辨显微成像一直是一个挑战，也是当前国际研究的难点和重点之一。
神经环路的三维投射在神经环路的机制机理研究中扮演极其重要的角色，然而脑组织是不透明的散射介质，导致生物实验中常用的共聚焦显微镜的成像深度被局限在几十微米深度范围内。而组织光学清除技术的出现为神经环路的三维投射研究提供了重要的手段。但是，现有的光透明技术普遍存在处理时间过长（数天至数周）、试剂有毒、荧光淬灭、组织形变、操作过程复杂等缺点，同时需要使用昂贵的光片层显微镜，严重制约了光透明技术在普通实验室的应用。如何实现用简易操作、无毒试剂实现生物组织的高速高效透明、平同时保护荧光信号是光学清除技术研究的热点和难点，是当前亟待解决的问题。只有解决以上问题，光透明技术才能成为普通实验室的常规成像手段之一，真正促进生命科学尤其是脑科学的发展。

图3. 用激光共聚焦显微镜观测转基因小鼠

大脑切片中的神经元和胶原蛋白

在这里，我们描述了一种超快光学清除方法：FOCM，可以实现对深部脑信息的高分辨获取。FOCM在原理上创新性的利用溶剂依赖性方法的二甲基亚砜作溶剂，将水溶性方法的尿素作溶质将两方法结合，即实现了溶剂依赖型方法的超快透明速度，又同时具备了水溶性方法对样本的良好保护能力。在清除速度上，FOCM能够在2分钟内实现300微米脑组织切片的透明，在透明速度上是其他光学清除方法的75倍以上。

这种快速的透明进程根本上改变了组织透明的理念，使组织透明成为成像的步骤之一而非一种复杂的技术。在FOCM的实验操作上，所有的FOCM试剂都是容易购买、价格低廉且无接触性或挥发性毒性的试剂，且只需配置一种混合试剂即可实现组织透明。相较于其他透明方法，这让FOCM对实验操作者更加友好，可以随时随地完成组织透明的实验。于此同时，FOCM能够实现更少的荧光淬灭和形态改变。FOCM能够在11天实现对Thy1-GFP-M小鼠86%荧光的保留，以及仅出现2.12%的样本体积形态改变，相较于其他组织透明化方法有明显的优势。因此综上所述，FOCM有绝对的潜力成为新一代的光学清除技术，它能够改革现有成像技术，在生命科学、脑科学的高通量三维成像领域内发挥重要作用。