在生物體內(nèi)，有一張由億萬(wàn)外周神經(jīng)纖維編織成的精密“生命物聯(lián)網(wǎng)”，承載著大腦與全身器官的雙向通信，調(diào)控運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)以及內(nèi)臟的功能。
然而，看清這張網(wǎng)絡(luò)的“真容”卻極其困難。因?yàn)樯窠?jīng)纖維直徑僅為發(fā)絲的幾十分之一，蜿蜒交織遍布全身。長(zhǎng)期以來(lái)，如何同時(shí)“看得清”單根神經(jīng)纖維，又能“看得全”全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整體構(gòu)架，是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域亟待攻克的技術(shù)瓶頸。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授畢國(guó)強(qiáng)、劉北明聯(lián)合合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)，首創(chuàng)了一套世界最快的小鼠全身亞細(xì)胞分辨率三維成像技術(shù)“blockface-VISoR”。
該技術(shù)好比一臺(tái)“超級(jí)CT掃描儀”，僅用40小時(shí)完成了成年小鼠全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高清成像，并繪制了外周神經(jīng)的精細(xì)圖譜。成像效率較現(xiàn)有技術(shù)提升數(shù)倍至數(shù)十倍，成像分辨率也從傳統(tǒng)光片顯微成像的組織細(xì)胞級(jí)提升至均一亞細(xì)胞級(jí)，可清晰捕捉直徑數(shù)微米的單根神經(jīng)纖維。7月10日，研究成果發(fā)表于《細(xì)胞》。
畢國(guó)強(qiáng)表示，這項(xiàng)突破性的技術(shù)不僅有助于建立外周神經(jīng)連接圖譜研究的新范式和解決神經(jīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性問(wèn)題，也在發(fā)育生物學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
通過(guò)高分辨率成像技術(shù)揭示了小鼠頭部的腦神經(jīng)（藍(lán)色）和血管（紅色）。中國(guó)科大供圖（左）Thy1-EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠全身神經(jīng)（藍(lán)色）和血管（紅色）三維重建，（右）抗體標(biāo)記的小鼠全身交感神經(jīng)三維重建。中國(guó)科大供圖
小鼠腎臟切面交感神經(jīng)（綠色）和血管（血管）分布圖。中國(guó)科大供圖
“展示精美”
神經(jīng)系統(tǒng)由中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)組成，是一個(gè)遍布全身的復(fù)雜神經(jīng)元相互連接的網(wǎng)絡(luò)。
前期研究中，畢國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了全球最快的同步飛掃“VISoR”技術(shù)，在2019年實(shí)現(xiàn)了1.5小時(shí)內(nèi)小鼠全腦的亞微米分辨率成像，2021年實(shí)現(xiàn)了獼猴全腦微米分辨率三維成像。
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?！耙?yàn)榕c相對(duì)致密均質(zhì)的大腦不同，小鼠身體里包含很多相當(dāng)獨(dú)立的內(nèi)臟器官，它們之間又有很多空腔，在切片過(guò)程中很多組織很容易散落丟失?！碑厙?guó)強(qiáng)向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹。
針對(duì)這一技術(shù)難題，團(tuán)隊(duì)提出“小鼠全身透明處理-原位切片+切面三維成像”策略，改進(jìn)了小鼠全身透明化處理的流程，研發(fā)了新的“blockface-VISoR”成像系統(tǒng)——在VISoR顯微鏡上直接搭建了一臺(tái)精密自動(dòng)切片裝置。
“具體來(lái)說(shuō)，我們首先對(duì)透明小鼠樣品逐層切片，然后對(duì)切片組織表面下0.6毫米的深度拍攝三維圖像。每拍完一層后，就切掉樣品0.4毫米組織。切、拍、切、拍……如此循環(huán)推進(jìn)，大約切了200多次后，完成了整只小鼠的全身神經(jīng)圖像采集。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)百層圖像無(wú)縫拼接成完整的三維結(jié)構(gòu)。”畢國(guó)強(qiáng)說(shuō)。
這種策略解決了小鼠樣品整體成像時(shí)深層組織的模糊問(wèn)題，首次在40小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了成年小鼠全身均一的亞細(xì)胞分辨率三維成像，可以清晰看見(jiàn)小鼠的單根神經(jīng)纖維。據(jù)悉，單只小鼠可產(chǎn)生約7萬(wàn)GB的龐大原始圖像數(shù)據(jù)，相當(dāng)于數(shù)千部高清電影。
《細(xì)胞》審稿人高度評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作，指出“這些分析在群體和單細(xì)胞層面均產(chǎn)生了驚人的精細(xì)數(shù)據(jù)。尤為重要的是，這項(xiàng)技術(shù)的初步應(yīng)用揭示了新的見(jiàn)解”；并評(píng)價(jià)“這是一項(xiàng)有趣的研究，展示精美，其方法學(xué)呈現(xiàn)出巨大的潛力”。
Blockface-VISoR成像系統(tǒng)。中國(guó)科大供圖
開(kāi)啟“看見(jiàn)全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”新時(shí)代
值得一提的是，由于樣品制備方法具備高熒光保存性的優(yōu)勢(shì)，“blockface-VISoR”成像技術(shù)可以兼容神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域常用的標(biāo)記方法。
畢國(guó)強(qiáng)介紹，比如，當(dāng)前的工作與轉(zhuǎn)基因鼠熒光標(biāo)記、免疫熒光標(biāo)記和嗜神經(jīng)病毒示蹤方法結(jié)合，精確解析了腦神經(jīng)、脊神經(jīng)和自主神經(jīng)等不同類(lèi)型外周神經(jīng)的三維連接結(jié)構(gòu)，為中樞-外周神經(jīng)圖譜繪制、疾病機(jī)制解析等提供全維度研究技術(shù)。
此次工作中，團(tuán)隊(duì)取得了一系列突破性成果。
追蹤單根神經(jīng)纖維，首次發(fā)現(xiàn)脊神經(jīng)元投射的新特征。在Thy1-EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠中，研究團(tuán)隊(duì)清晰追蹤到單個(gè)脊神經(jīng)元在全身范圍內(nèi)的完整投射路徑，并批量重建了感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的精細(xì)形態(tài)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，胸段脊神經(jīng)感覺(jué)神經(jīng)元的投射可以跨越多肋骨節(jié)段，而且其廣泛投射特征顯著區(qū)別于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元?！碑厙?guó)強(qiáng)說(shuō)。
通過(guò)全身免疫熒光標(biāo)記，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了首個(gè)小鼠全身交感神經(jīng)系統(tǒng)的高精度圖譜。研究發(fā)現(xiàn)，在軀體和多數(shù)內(nèi)臟中，交感神經(jīng)基本上伴隨血管并纏繞形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但在胃和腸道中卻存在大量不伴隨血管而獨(dú)立分布的交感神經(jīng)結(jié)構(gòu)，這種器官特異的交感神經(jīng)-血管間的結(jié)構(gòu)互作特征為理解內(nèi)臟神經(jīng)調(diào)控提供了新視角。
“眼見(jiàn)為實(shí)。我們可以不依賴(lài)間接證據(jù)，直接‘看見(jiàn)’全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何精密連接、如何與不同組織器官互相作用?！碑厙?guó)強(qiáng)認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)有望通過(guò)系統(tǒng)破解“生命物聯(lián)網(wǎng)”的線(xiàn)路圖，幫助解答神經(jīng)生物學(xué)、系統(tǒng)生理學(xué)乃至發(fā)育生物學(xué)、解剖學(xué)、中醫(yī)經(jīng)絡(luò)理論等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域眾多懸而未決的關(guān)鍵問(wèn)題，并為未來(lái)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供底層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
例如，通過(guò)全面且精準(zhǔn)定位神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮ＤY）的早期結(jié)構(gòu)變異來(lái)明確疾病的致病機(jī)理；以可視化方式評(píng)估藥物（包括基因編輯療法）對(duì)全身組織和器官的靶向效果，加速藥物研發(fā)進(jìn)程；同時(shí)，通過(guò)了解交感和迷走神經(jīng)的準(zhǔn)確投射路徑，可以?xún)?yōu)化外周神經(jīng)調(diào)控療法；進(jìn)一步地，未來(lái)可以通過(guò)人體成像，把千年歷史的人體解剖圖譜升級(jí)到細(xì)胞分辨率的介觀(guān)數(shù)字生命模型，這將為器官再造組織工程提供藍(lán)圖，還可以指導(dǎo)精準(zhǔn)顯微外科手術(shù)的術(shù)式設(shè)計(jì)等。
研究團(tuán)隊(duì)合影。周欣宇 攝
以技術(shù)和數(shù)據(jù)推動(dòng)生物醫(yī)藥交叉合作
7月10日，《自然》官網(wǎng)頭條專(zhuān)門(mén)發(fā)表了題為《小鼠全身神經(jīng)精細(xì)圖譜：精美圖片首度公開(kāi)》新聞評(píng)述文章。文中，臺(tái)灣新竹國(guó)立清華大學(xué)教授江安世表示，“這項(xiàng)工作是連接組學(xué)向大腦以外擴(kuò)展的重要一步?！?span style="display:none">uhG速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校神經(jīng)物理學(xué)家David Kleinfeld和研究員Beth Friedman高度評(píng)價(jià)此次研究成果。
他們認(rèn)為，近幾十年來(lái)，神經(jīng)科學(xué)主要遵循兩條還原論研究路徑：其一是關(guān)注高級(jí)計(jì)算功能（如導(dǎo)航與決策），其二是聚焦分子事件（如細(xì)胞間信號(hào)傳遞）。在這些研究中被忽視的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是大腦如何調(diào)控身體各部分的功能。因此，對(duì)于全身性功能（如內(nèi)感受）的理解長(zhǎng)期受限于缺乏完整的周?chē)窠?jīng)環(huán)路圖譜——正是這些神經(jīng)環(huán)路通過(guò)外周神經(jīng)將大腦與全身各靶器官相連接。
他們表示，“畢國(guó)強(qiáng)及其團(tuán)隊(duì)的開(kāi)創(chuàng)性工作，將高通量全身成像技術(shù)推進(jìn)至能夠繪制腦神經(jīng)與外周神經(jīng)的單神經(jīng)元纖維水平的圖譜。其中一項(xiàng)尤為突出的成果是其對(duì)交感神經(jīng)系統(tǒng)的介觀(guān)尺度圖譜繪制，這對(duì)從計(jì)算角度理解身體器官的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制至關(guān)重要。更廣泛而言，該新技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的完整性與精確性，為整合神經(jīng)功能與動(dòng)物系統(tǒng)生理學(xué)研究提供了亟需的技術(shù)框架，標(biāo)志著向整體觀(guān)工程研究范式的重要轉(zhuǎn)變?！?span style="display:none">uhG速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
西湖大學(xué)教授馬秋富認(rèn)為：“在我們針灸研究中，如果能夠精準(zhǔn)測(cè)繪不同類(lèi)型感覺(jué)神經(jīng)纖維的全身分布，將有助于比較不同穴位與非穴位區(qū)域的神經(jīng)分布差異,從而幫助優(yōu)化電針刺激參數(shù)，驅(qū)動(dòng)特異的感覺(jué)-自主神經(jīng)通路來(lái)調(diào)節(jié)人體生理機(jī)能，最終達(dá)到治療疾病的目的?！?span style="display:none">uhG速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
畢國(guó)強(qiáng)表示，“blockface-VISoR成像技術(shù)仍有改進(jìn)空間。下一步，團(tuán)隊(duì)將通過(guò)升級(jí)多相機(jī)成像系統(tǒng)來(lái)提高數(shù)據(jù)采集效率，并探索其在更大尺度生物樣品成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將持續(xù)公開(kāi)研究成果圖像數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)資源全球共享，以技術(shù)和數(shù)據(jù)推動(dòng)生物醫(yī)藥交叉合作。”
相關(guān)論文信息：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00673-7
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