华中科技大学朱䒟教授课题组发明光透明颅窗实现突触分辨的皮层神经成像

2018-02-28

华中科技大学武汉光电国家研究中心朱䒟教授课题组成功研发一种新型的光透明颅窗,研究人员只需要在小鼠颅骨表面涂抹光透明剂,就能让颅骨在数分钟内变得透明,形成一个可观测皮层的视窗。基于此,利用双光子显微镜实现了小鼠皮层神经元、胶质细胞、血管的高分辨活体成像。这种“颅窗”具有高效、安全、可重复且易于操作等特点。成果“Skull Optical Clearing Window for in Vivo Imaging of the Mouse Cortex at Synaptic Resolution”于2018年2月23日在光学领域顶级刊物Light: Science & Applications上在线发表。

对皮层神经元、胶质细胞和微脉管系统进行活体观察和操纵是大脑结构与功能研究的基础。然而皮层上方颅骨的高散射特性限制了光在组织中的穿透深度,进而影响了多种光学技术在活体皮层成像中的应用。为了克服颅骨对光学成像的障碍,研究人员不得不通过手术方式将颅骨完全/部分去除,但这些方法存在这样或那样的不足问题。近年,组织光透明技术为光学成像在生物医学的应用研究提供了重要手段,但现有研究多局限于离体组织器官的研究,针对活体组织光透明研究相对较少。

朱䒟教授课题率先在国际上开展活体组织光透明研究,早期的工作主要针对不同类型的皮肤光透明而展开。其同事许彤辉教授一直从事小鼠皮层神经成像研究,混浊颅骨已成为制约皮层光学成像应用的瓶颈问题。双方在交流中,朱䒟教授意识到神经科学家的重大需要,将活体光透明的研究重点转移到了颅骨。经过6年的努力,针对不同年龄小鼠开发出安全、有效、可开合的光透明颅窗。该技术不仅能够有效提高多种光学成像在活体皮层成像的对比度与成像深度,也实现了对突触分辨水平的神经结构可塑性的成像研究。该工作有望为生理/疾病状态下皮层神经与血管结构与功能性成像研究提供重要工具。

该研究得到国家自然科学基金委创新研究群体(61721092)、国家自然科学基金(91232710, 31571002)以及武汉光电国家研究中心主任基金的资助。朱䒟教授和许彤辉教授为论文通讯作者,骆清铭教授参与指导,朱䒟教授的博士生赵延洁为论文第一作者,俞婷婷博士、博士生张超与李招为共同作者参与相关工作。

1光透明颅窗方法的建立与其性能的评估。

a)颅骨光透明技术的操作流程,四个关键步骤分别为小鼠固定、颅骨光透明、皮层成像和恢复;(b)固定装置,用于固定小鼠以此减少成像中的运动伪影;(c)颅骨的解剖结构示意图;(d)成像的示意图;(e)有效性评估,光透明处理后信号质量显著提高,可以分辨突触水平结构(树突棘,直径约1 μm);(f)成像深度的改善,光透明处理之后,成像深度明显提高;(g–h)重复性的评估,可以对皮层树突和树突棘结构进行重复成像。标尺,10 μm。