中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）研究员王凯团队开发了一种新型超分辨显微成像技术，有效解决了背景噪声干扰和运动伪影两大技术难题，可在清醒动物脑中对神经元的快速动态进行超分辨率光学成像和解析，为研究动物学习过程中的神经元突触可塑性基础提供了新工具。相关研究成果近日发表于《自然-方法学》。

在神经科学研究中，解析突触的形态和功能可塑性是探究学习记忆底层机理，进而理解大脑工作原理的重要基础。使用活体动物双光子显微成像技术捕捉突触在学习记忆、睡眠和疾病等过程中的形成和消亡，极大提升了科学家对神经元形态可塑性和脑功能之间联系的认识。然而，传统光学显微镜受限于光学衍射效应，难以进一步观察研究更精细的结构和动态。

研究团队提出了多模式复用结构光线照明超分辨显微成像技术（MLS-SIM），可通过快速切换不同光线照明模式，分别获得3个方向上的超分辨信息，并提出新的超分辨重构理论框架，实现准确高效的超分辨图像重构。在线性荧光激发模式下，MLS-SIM能以150纳米横向分辨率对清醒小鼠大脑皮层中的神经元树突棘尖刺和轴突终扣微观动态进行长达上千帧的连续成像，速度达每秒数帧，每秒50微米的样品运动不影响其超分辨成像性能。此外，利用皮秒脉冲激光实现非线性荧光激发，非线性MLS-SIM可以将横向分辨率提高至约100纳米，且保持同样的样品运动容忍度。

利用该技术，研究团队在清醒小鼠的大脑中验证了神经元树突棘和轴突终扣上存在着快速变化的尖刺动态，并量化研究了清醒-睡眠循环中神经元微观快速动态的改变。该技术还实现了双色超分辨同时成像，探究了PSD-95蛋白聚团的微观结构与树突棘之间的联系。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41592-024-02535-9

（原载于《中国科学报》 2024-11-26 第1版 要闻）