顯微鏡的進步加速了神經科學研究
大腦功能的複雜性與大腦結構的複雜性密切相關,而我們對這兩者的了解才剛剛開始。顯微鏡是揭示大腦結構相互關聯的最重要工具之一,它正在快速發展。超分辨率顯微鏡等進步使神經科學家能夠以以前不可能的方式進行大腦成像,在亞細胞和分子水平上可視化神經系統,並為神經退行性疾病(如阿爾茨海默病、帕金森病)的未來療法帶來希望,和肌萎縮側索硬化(ALS)。以下是通過持續的顯微鏡技術進步使最近的神經科學發現成為可能。
沒有標籤的大腦成像
神經科學家正在使用相干拉曼散射 (CRS) 顯微鏡——它在不使用成像標籤的情況下實現亞細胞空間分辨率——來研究神經退行性疾病的機制,例如對阿爾茨海默病中的澱粉樣斑塊病理進行成像,1觀察到的路易病理(身體和神經突)在帕金森病2和 ALS 期間發生的神經變性。3 CRS 顯微鏡“通過激發樣品中存在的內源性化合物的分子振動來實現化學特定的圖像對比,”徠卡顯微系統生命科學部應用經理 Volker Schweikhard 說。
徠卡的 STELLARIS 8 CRS 顯微鏡為研究人員提供了在 2D 細胞培養、3D 類器官模型和 3D 組織中實現這一目標的工具。“CRS 支持的另一個新興研究領域是動物代謝活動的光學成像,包括腦組織中的脂質和蛋白質從頭合成,”Schweikhard 說。“這種方法在研究大腦發育和退化方面看起來特別有前途。”
事實上,將 CRS 顯微鏡與其他成像方法結合使用已經帶來了新的發現。例如,將 CRS 與熒光顯微鏡相結合,揭示了小膠質細胞的促炎狀態與與衰老相關的大腦功能障礙之間的聯繫。4 “而且按照目前的進展速度,”Schweikhard 說,“預計神經科學的應用範圍將進一步擴大。”
以超分辨率對大腦進行成像
超分辨率顯微鏡因其能夠分辨比傳統衍射極限成像障礙小的結構而得名,近年來發展迅速。其中一種方法是結構化照明顯微複製 (SIM),它使用空間結構化的光圖案來激發樣品,然後根據產生的干涉圖案通過計算重建超分辨率圖像。SIM 平台正在迅速發展,變得比它們的前輩更強大、更易於使用;尼康的 N-SIM S 超分辨率顯微鏡速度足以對活細胞進行超分辨率成像。
最近由京都府立醫科大學的 Satoshi Gojo 領導的一項研究使用尼康的 N-SIM S 系統來定位內源性線粒體內的外源性線粒體 DNA。5這樣的壯舉——在亞細胞細胞器內找到特定的 DNA——使用超分辨率顯微鏡變得可行。“線粒體功能障礙在許多疾病中發揮作用,包括某些形式的神經變性,所以我期待看到這一發現會帶來什麼,”尼康儀器高級顯微鏡產品和物流經理 Adam White 說。
將尼康的 N-SIM 與光遺傳學相結合,伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的 Kai Zhang 小組能夠探索神經生長因子 (NGF) 受體信號通路的更精細細節。6通常,NGF 會激活酪氨酸激酶 A (TrkA) 以及另一種親和力較低的受體。Zhang 的團隊使用光遺傳學——最初開髮用於通過光和基因修飾來調節神經元活動——將單獨的 TrkA 激活歸零,目的是防止在使用 NGF 研究 TrkA 介導的事件時可能發生的脫靶效應。他們使用 SIM 來確認光遺傳 TrkA 受體響應藍光刺激的二聚化,並建議使用他們的方法來研究其他受體介導的信號通路的機制。“我發現這是光遺傳學的一個有趣應用,因為它展示了這些工具如何增強研究細胞信號的更傳統方法,”懷特說。
另一種類型的超分辨率,隨機光學重建顯微鏡 (STORM),從樣本內單個熒光團的隨機發射重建超分辨率圖像。由馬克斯普朗克腦研究所的 Erin Schuman 領導的一個小組最近使用尼康的 N-STORM 系統研究突觸可塑性期間樹突內的蛋白質合成。7“突觸可塑性需要局部合成,但對必要分子工具的水平和具體位置知之甚少,”懷特說。“這證明是 N-STORM 的完美應用。” 使用代謝標記和 DNA-PAINT(納米級拓撲結構中的 DNA 點積累,一種使用熒光團標記的短 DNA 寡核苷酸的超分辨率成像方法),Schuman 小組以單分子分辨率檢測樹突核醣體和新生蛋白質,並發現局部蛋白質合成與突觸活動水平相關。
大腦內的單分子成像
大腦獨特的空間組織使其成為顯微鏡研究的主要目標——尤其是隨著技術在分辨率和分子能力方面的成熟。Vizgen 的 MERSCOPE 平台使用 MERFISH(多重錯誤魯棒熒光原位雜交),這是一種單分子成像技術,可以同時測量多達 1000 個 RNA 分子中的 100 個拷貝數,具有亞細胞分辨率。“MERSCOPE 平台能夠對整個組織切片中數百個基因的表達進行空間分析,以超過 100 nm 的精度揭示幾乎所有目標轉錄本副本的精確三維坐標,”科學聯合創始人、主任 George Emanuel 說。 Vizgen 的技術和合作夥伴關係。
基因表達的高分辨率空間分析是適用於任何類型組織的強大繪圖工具。在大腦中,研究人員正在剖析複雜的相互作用,例如發育過程中小膠質細胞沿血管的遷移。“只有高分辨率轉錄組分析才能區分小膠質細胞轉錄和血管轉錄,”伊曼紐爾說。“這為了解大腦的組成提供了一個窗口,這在以前的商用技術中是不可行的,並且在神經科學研究中尤其重要。”
空間分析是通過提供組織內單個細胞的位置信息來加速大腦中細胞圖譜的工作(以前的方法通常涉及組織解離,然後進行單細胞測序)。使用 MERFISH 和逆行示踪劑繪製從終點到源頭的神經元連接圖,研究人員可以識別所涉及的神經元亞型。哈佛大學莊曉偉領導的一個小組最近使用這種方法生成了小鼠初級運動皮層的細胞圖譜,並研究了端腦內神經元的投射模式。8他們還發現來自初級運動皮層的神經元向神經元簇中的其他區域發送和接收信息。
顯微鏡正在進一步推進神經科學,以提供活神經元和神經膠質細胞的高分辨率圖像。歐洲分子生物學實驗室的 Robert Prevedel 領導的一項新研究使用多種方法,包括自適應光學 3 光子顯微鏡,以獲取活腦組織深處的高分辨率圖像。9所有這些結果都為擁有最新顯微鏡技術的神經科學家提供了未來的探索途徑。