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徠卡腦科學(xué)跨尺度成像——精細(xì)結(jié)構(gòu)及功能成像

更新時(shí)間：2024-10-18 點(diǎn)擊次數(shù)：645

在腦科學(xué)研究的廣闊領(lǐng)域中，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)功能的深入理解是解開(kāi)大腦奧秘的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的成像技術(shù)往往面臨分辨率不足的挑戰(zhàn)，尤其是在密集神經(jīng)追蹤和分子亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的精確定位上。這些限制極大地阻礙了我們對(duì)神經(jīng)元連接、突觸可塑性、以及細(xì)胞內(nèi)蛋白互作等核心問(wèn)題的深入探索。

為了克服這些障礙，我們推出了腦科學(xué)跨尺度成像解決方案，集成了共聚焦STELLARIS系統(tǒng)、高分辨模塊Lightning、納米超高分辨TauSTED Xtend，以及功能成像熒光壽命模塊FALCON，為腦科學(xué)研究提供了you越的成像精度和功能分析能力。

共聚焦STELLARIS系統(tǒng)

作為徠卡腦科學(xué)成像方案的核心，STELLARIS系統(tǒng)以其zhuo越的光學(xué)性能和穩(wěn)定性，成為研究神經(jīng)元精細(xì)結(jié)構(gòu)buke或缺的工具。該系統(tǒng)支持多通道同時(shí)成像，能夠捕獲到神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜交互，特別適用于樹(shù)突棘、軸突等細(xì)微結(jié)構(gòu)的可視化。此外，STELLARIS系統(tǒng)還具備高度的靈活性和可擴(kuò)展性，可根據(jù)具體研究需求配置不同的物鏡和探測(cè)器，滿足多樣化的實(shí)驗(yàn)要求。

NCAD染色的整個(gè)CO（cortical organoids）和ENO（expanded neuroepithelium organoids）類器官的代表性熒光圖像。虛線描繪了不同類器官中rosettes的基部和神經(jīng)上皮結(jié)構(gòu)^[1]。

用 GFAP（紅色）、Iba-1（綠色）和 CD68（青色）以及 DAPI（藍(lán)色）抗體染色的 40 周齡雄性 Conv-R、GF 和 Ex-GF 小鼠海馬切片的代表性免疫熒光圖像^[2]。

高分辨模塊Lightning

針對(duì)更高分辨率的需求，徠卡的高分辨模塊Lightning幫助研究人員能夠更清晰地觀察到神經(jīng)元的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器，以及它們之間的空間定位關(guān)系。Lightning模塊的應(yīng)用極大地?cái)U(kuò)展了我們對(duì)神經(jīng)元內(nèi)部世界的認(rèn)知邊界。

納米超高分辨TauSTED Xtend

為了進(jìn)一步提升分辨率，徠卡發(fā)展了納米超高分辨TauSTED Xtend技術(shù)。STED（受激發(fā)射損耗）實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)共聚焦顯微鏡的分辨率。TauSTED Xtend模塊將這一技術(shù)推向了ji致，使得分辨率達(dá)到納米級(jí)別。這一技術(shù)革新使得研究人員能夠直接觀察到分子尺度的細(xì)節(jié)，如蛋白分子的精確定位和動(dòng)態(tài)變化，為揭示神經(jīng)元功能機(jī)制提供了強(qiáng)有力的支持。

來(lái)自DIV21皮質(zhì)神經(jīng)元的GFP轉(zhuǎn)染(灰色)樹(shù)突的代表性Raw STED和Tau-STED圖像[3]。用Alexa Fluor 594偶聯(lián)二抗(紅色)和直接與Abberior STAR 635P偶聯(lián)的PSD-95納米體(綠色)對(duì)培養(yǎng)物進(jìn)行共染色。插圖(方形)顯示了PSD-95抗體和納米體(箭頭)共同標(biāo)記的脊柱。Scale bars:2 µm; inset: 500 nm。

WT、Spp1KO/KO、AppNL-F和AppNL-F·Spp1KO/KO SLM中Homer1和Bassoon puncta共定位的STED圖像[4]。Scale bars:5 µm。

功能成像熒光壽命模塊FALCON

除了結(jié)構(gòu)成像外，功能成像也是腦科學(xué)研究的重要方面。徠卡的功能成像熒光壽命模塊FALCON通過(guò)測(cè)量熒光分子的壽命參數(shù)，提供了關(guān)于分子環(huán)境、相互作用以及動(dòng)態(tài)變化的重要信息。這一技術(shù)特別適用于研究神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)的蛋白構(gòu)象變化、離子濃度波動(dòng)等生理過(guò)程。FALCON模塊的應(yīng)用使得研究人員能夠在細(xì)胞水平上實(shí)時(shí)觀測(cè)神經(jīng)元的功能狀態(tài)，以及研究細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的變化，如氧化還原狀態(tài)、pH值變化等，為深入理解大腦的工作原理提供了新的視角。

造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞(HSPCs)代謝表型的FLIM分析示意圖(左)和體外分化的造血干細(xì)胞和新分離的HSPCs沿分化層次的代表性圖像(右)^[5]。Scale bars:10 µm。

徠卡腦科學(xué)跨尺度成像解決方案，無(wú)論是精細(xì)結(jié)構(gòu)的可視化還是功能狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這一方案都展現(xiàn)了強(qiáng)大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，徠卡顯微將繼續(xù)為揭開(kāi)大腦奧秘貢獻(xiàn)更多的智慧和力量。

參考文獻(xiàn)：（上下滑動(dòng)查看更多）

[1]Pagliaro, A., Finger, R., Zoutendijk, I. et al. Temporal morphogen gradient-driven neural induction shapes single expanded neuroepithelium brain organoids with enhanced cortical identity. Nat Commun 14, 7361 (2023). doi:10.1038/s41467-023-43141-1

[2] Dong-oh Seo et al. ,ApoE isoform– and microbiota-dependent progression of neurodegeneration in a mouse model of tauopathy.Science379,eadd1236(2023).DOI:10.1126/science.add1236

[3] Jones G, Akter Y, Shifflett V, Hruska M. Nanoscale analysis of functionally diverse glutamatergic synapses in the neocortex reveals input and layer-specific organization. Preprint. bioRxiv. 2024. doi:10.1101/2024.05.01.592008

[4] De Schepper, S., Ge, J.Z., Crowley, G. et al. Perivascular cells induce microglial phagocytic states and synaptic engulfment via SPP1 in mouse models of Alzheimer’s disease. Nat Neurosci. 26, 406–415 (2023). doi:10.1038/s41593-023-01257-z

[5] Hao Zhou et al. Label-free metabolic optical biomarkers track stem cell fate transition in real time. Sci. Adv.10, eadi 6770(2024). DOI:10.1126/sciadv.adi6770

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