超分辨顯微鏡成像助力學者探詢神經回路

來自哈佛大學的研究人員報告稱，她們采用超高分辨率成像繪製出了神經元突觸輸入區的圖譜。這一重要的研究成果發布在10月8日的《細胞》（Cell）雜誌上。 論文的通訊作者是有名的華人女科學家莊小威（Xiaowei Zhuang）。莊小威早年畢業於中國科技大學少年班，34歲時成為了哈佛大學的化學和物理雙學科正教授，是哈佛物理係和化學係少有的雙科教授。2012 年莊教授當選為美國國家科學院院士，刷新了美國科學院*年輕華人院士的紀錄。她所研發的超高分辨率技術STORM與諾獎得主Eric Betzig的成果不相伯仲，卻和2014年的諾貝爾化學擦肩而過。

從單個神經元的突觸區域到整個大腦的布線圖，在多個尺度上繪製出突觸連接，對於了解神經回路的功 能機製以及回路缺陷如何導致了精神疾病至關重要。繪製突觸連接圖的理想平台應該可以提供高分辨率的結構信息，來可靠地識別突觸連接及準確將突觸分配給神經 元；能夠成像諸如神經遞質受體一類的，對確定突觸身份和特性很重要的特異分子；具有自動圖像分割能力能夠有效地分析大容積重建成像來捕獲整個神經係統或 回路。

當前熒光顯微鏡和電子顯微鏡(EM)均被利用於神經回路成像。EM能提供精致的空間分辨率和膜反差由此精確識別突觸，現代EM的高成像速度使得能夠 實現越來越大容積重建成像。然而由於高質量EM成像需要嚴格的固定和樣品製備條件，標記內源性突觸蛋白來確定突觸的分子特性和功能特性對於大容積重建成像 仍然是一個艱難的任務。此外，EM自動分割圖像仍然是個挑戰，成為了擴大神經回路分析的一個瓶頸。比較而言，熒光顯微鏡能夠兼容免疫組化和內源性蛋白成 像，多種顏色的熒光信號可幫助簡化自動圖像分割任務實現有效的數據分析。但熒光顯微鏡有限的衍射分辨率可導致識別和分配重建回路中的突觸時出現錯誤。

超分辨顯微鏡成像可以克服衍射限製，通過整合高成像分辨率來識別和分配突觸實現蛋白質特異性標記確定突觸分子特性，及采用多顏色成像實現有效地數據分析，來提高突觸重建神經回路的能力。

在這裏研究人員報告稱開發出了一種超高分辨率容積重建平台，用於大容積成像及利用分子特性信息自動細分神經元與突觸。她們利用這一平台繪製出了給光 -撤光型(ON-OFF) 方向選擇性神經節細胞(direction-selective ganglion cell, DSGC)抑製突觸輸入區的圖譜，在小鼠視網膜中這些細胞對於計算視覺運動方向起重要作用。重建On-Off DSGCs顯示出一個GABA能受體亞型特異性輸入區負責生成了方向選擇性反應。這些結果證實了這一超高分辨率平台在探詢神經回路方麵具有的獨特能力。