2024年11月22日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王凯研究组在《自然-方法》（Nature Methods）上发表了一项重要研究，题为《Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals》。该研究开发了一种新型的超分辨显微成像技术，成功解决了背景噪声干扰和运动伪影等技术难题，使得在清醒动物大脑中能够对神经元的快速动态进行超分辨率成像。
近年来，超分辨光学显微成像技术的快速发展使得科学家能够突破光学衍射极限，获取更高分辨率的生物样本图像。然而，现有技术主要应用于离体细胞和脑片，尚缺乏可在清醒动物中进行超分辨成像的有效方法。因此，开发适用于清醒动物的超分辨光学成像技术成为神经科学和光学成像领域的重要挑战。
研究团队提出的多模式复用结构光线照明超分辨显微成像技术（MLS-SIM）是这一领域的重大创新。MLS-SIM的核心在于通过快速切换不同的线照明模式，在单次线扫描成像过程中获取三个方向的超分辨信息，并建立了一种新的超分辨重构理论框架。这种方法能够在150纳米的横向分辨率下，对清醒小鼠皮层中的神经元树突棘和轴突终扣进行长达上千帧的连续成像，成像速度达到每秒数帧，且能够容忍每秒50微米的样品运动而不影响成像性能。通过使用皮秒脉冲激光，非线性MLS-SIM的横向分辨率进一步提高至约100纳米，同时保持相同的运动容忍度。
MLS-SIM填补了超分辨显微镜在清醒动物成像方面的空白，克服了以往技术在活体动物成像时面临的时间和光漂白问题，为在体微观研究开辟了新的前景。利用这一技术，研究团队在清醒小鼠大脑中验证了神经元树突棘和轴突终扣上存在快速变化的尖刺动态，并量化了清醒-睡眠循环中神经元微观快速动态的变化。此外，该技术还实现了双色超分辨同时成像，揭示了PSD-95蛋白聚团的微观结构与树突棘发生之间的关系。
研究发现，树突主干上存在许多动态的小突起，其尺寸小于传统双光子成像技术的解析能力，仅能通过超分辨成像进行观察。动态分析显示，PSD-95聚团附近频繁出现小突起，这些小突起与PSD-95的显著共定位现象可能暗示了树突棘发生的细胞机制，为未来的突触可塑性研究提供了新的证据。
总的来说，MLS-SIM技术的成功开发，使得在清醒动物生理状态下对神经元及其他细胞的亚细胞微观动态进行长时间、大范围的成像和分析成为可能。这一技术的应用为神经科学研究提供了新的工具，奠定了超分辨成像在该领域的基础。
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