研究實(shí)現(xiàn)小鼠全身“高清全景成像”?繪制周圍神經(jīng)亞細(xì)胞級(jí)圖譜----中國(guó)科學(xué)院

加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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研究實(shí)現(xiàn)小鼠全身“高清全景成像”?繪制周圍神經(jīng)亞細(xì)胞級(jí)圖譜

2025-07-10 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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周圍神經(jīng)系統(tǒng)作為機(jī)體的“物聯(lián)網(wǎng)”，承載著大腦與全身器官間的雙向通訊與調(diào)控任務(wù)，一方面發(fā)揮傳遞運(yùn)動(dòng)指令、調(diào)控呼吸和心跳等功能，另一方面將痛覺(jué)和溫度覺(jué)等感知信號(hào)實(shí)時(shí)回傳至中樞以進(jìn)行處理，從而協(xié)同各組織器官活動(dòng)。繪制遍布全身的周圍神經(jīng)系統(tǒng)的精細(xì)連接圖譜，是探討其復(fù)雜功能機(jī)制和相關(guān)疾病機(jī)理的關(guān)鍵。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家對(duì)周圍神經(jīng)系統(tǒng)整體構(gòu)架的認(rèn)知主要依賴于毫米級(jí)分辨率的解剖學(xué)研究。近10年來(lái)，三維光學(xué)顯微技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了微米級(jí)分辨率全腦介觀神經(jīng)圖譜的解析，但全身周圍神經(jīng)系統(tǒng)的研究仍存在技術(shù)瓶頸。現(xiàn)有前沿成像技術(shù)難以同時(shí)兼顧高分辨率和高成像速度，即便結(jié)合全身樣品透明化處理，仍難以在小鼠全身尺度以亞細(xì)胞分辨率解析周圍神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜的長(zhǎng)程通路結(jié)構(gòu)。

此前，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新型同步飛掃技術(shù)VISoR。VISoR結(jié)合大體積生物樣品厚切片和透明化處理進(jìn)行三維顯微成像。VISoR兼具高速、高分辨率和可擴(kuò)展性，可在1.5小時(shí)內(nèi)完成小鼠全腦樣品的亞微米分辨率成像，并在進(jìn)一步優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)獼猴全腦亞細(xì)胞分辨率三維成像和單神經(jīng)纖維追蹤。然而，這種先切片后透明化成像的全腦成像策略不適用于小鼠全身樣品。與相對(duì)致密、均質(zhì)的大腦不同，小鼠全身組織異質(zhì)性高，包含多樣化的組織類型和不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在切片過(guò)程中易發(fā)生組織離散和丟失，導(dǎo)致難以完整重構(gòu)。

針對(duì)這一技術(shù)難題，該團(tuán)隊(duì)提出“樣品原位切片+切面三維成像”策略，并研發(fā)出整合精密振動(dòng)切片裝置的blockface-VISoR成像系統(tǒng)以及配套的小鼠全身透明化和水凝膠包埋的樣品制備流程ARCHmap。該技術(shù)流程的核心在于，每次僅對(duì)樣品塊表面約600微米深度進(jìn)行三維成像，進(jìn)而自動(dòng)切除已成像的400微米厚度樣品，循環(huán)此過(guò)程直至樣品成像完畢。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用自動(dòng)化拼接算法對(duì)相鄰切片間約200微米的重疊區(qū)域進(jìn)行三維無(wú)縫拼接重構(gòu)。由于每次掃描成像深度僅數(shù)百微米，組織透明化后的光散射效應(yīng)弱，因此可以實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。基于這一策略，科研人員建立了優(yōu)化的技術(shù)流程，在40小時(shí)內(nèi)完成了成年小鼠全身均一亞細(xì)胞分辨率三維成像，獲得了單通道約70 TB原始圖像數(shù)據(jù)。目前累計(jì)采集數(shù)十只小鼠數(shù)據(jù)，總量超過(guò)4 PB。

由于樣品制備方法具備高熒光保存性的優(yōu)勢(shì)，ARCHmap-blockface-VISoR技術(shù)兼容神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域常用的轉(zhuǎn)基因和嗜神經(jīng)病毒攜帶的熒光蛋白以及免疫熒光等標(biāo)記方法。結(jié)合上述標(biāo)記和成像技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)了小鼠全身不同類型周圍神經(jīng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和單纖維投射路徑，揭示了單個(gè)脊神經(jīng)元的跨節(jié)段投射特征，闡明了全身交感神經(jīng)的器官特異性伴血管分布模式，解析了迷走神經(jīng)的整體投射構(gòu)架和單纖維復(fù)雜投射路徑。

這項(xiàng)技術(shù)有助于建立周圍神經(jīng)連接圖譜研究新范式以及解析神經(jīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性問(wèn)題，在發(fā)育生物學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。同時(shí)，該技術(shù)仍有優(yōu)化空間，下一步將通過(guò)使用雙相機(jī)或多相機(jī)成像進(jìn)行多通道圖像同時(shí)采集，提高數(shù)據(jù)采集效率，探索其在更大尺度生物樣品成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。

7月10日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上。研究工作得到得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和安徽省自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

實(shí)驗(yàn)技術(shù)和示范數(shù)據(jù)集鏈接

blockface-VISoR成像系統(tǒng)

小鼠全身blockface-VISoR成像流程與周圍神經(jīng)介觀結(jié)構(gòu)解析

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部教授畢國(guó)強(qiáng)與劉北明，聯(lián)合合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的科研人員，在大尺度生物組織三維顯微成像領(lǐng)域取得重要突破。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出目前世界最快的小動(dòng)物全身亞細(xì)胞級(jí)高清三維成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了周圍神經(jīng)系統(tǒng)精細(xì)圖譜的高效繪制。周圍神經(jīng)系統(tǒng)作為機(jī)體的“物聯(lián)網(wǎng)”，承載著大腦與全身器官間的雙向通訊與調(diào)控任務(wù)，一方面發(fā)揮傳遞運(yùn)動(dòng)指令、調(diào)控呼吸和心跳等功能，另一方面將痛覺(jué)和溫度覺(jué)等感知信號(hào)實(shí)時(shí)回傳至中樞以進(jìn)行處理，從而協(xié)同各組織器官活動(dòng)。繪制遍布全身的周圍神經(jīng)系統(tǒng)的精細(xì)連接圖譜，是探討其復(fù)雜功能機(jī)制和相關(guān)疾病機(jī)理的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家對(duì)周圍神經(jīng)系統(tǒng)整體構(gòu)架的認(rèn)知主要依賴于毫米級(jí)分辨率的解剖學(xué)研究。近10年來(lái)，三維光學(xué)顯微技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了微米級(jí)分辨率全腦介觀神經(jīng)圖譜的解析，但全身周圍神經(jīng)系統(tǒng)的研究仍存在技術(shù)瓶頸。現(xiàn)有前沿成像技術(shù)難以同時(shí)兼顧高分辨率和高成像速度，即便結(jié)合全身樣品透明化處理，仍難以在小鼠全身尺度以亞細(xì)胞分辨率解析周圍神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜的長(zhǎng)程通路結(jié)構(gòu)。此前，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新型同步飛掃技術(shù)VISoR。VISoR結(jié)合大體積生物樣品厚切片和透明化處理進(jìn)行三維顯微成像。VISoR兼具高速、高分辨率和可擴(kuò)展性，可在1.5小時(shí)內(nèi)完成小鼠全腦樣品的亞微米分辨率成像，并在進(jìn)一步優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)獼猴全腦亞細(xì)胞分辨率三維成像和單神經(jīng)纖維追蹤。然而，這種先切片后透明化成像的全腦成像策略不適用于小鼠全身樣品。與相對(duì)致密、均質(zhì)的大腦不同，小鼠全身組織異質(zhì)性高，包含多樣化的組織類型和不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在切片過(guò)程中易發(fā)生組織離散和丟失，導(dǎo)致難以完整重構(gòu)。針對(duì)這一技術(shù)難題，該團(tuán)隊(duì)提出“樣品原位切片+切面三維成像”策略，并研發(fā)出整合精密振動(dòng)切片裝置的blockface-VISoR成像系統(tǒng)以及配套的小鼠全身透明化和水凝膠包埋的樣品制備流程ARCHmap。該技術(shù)流程的核心在于，每次僅對(duì)樣品塊表面約600微米深度進(jìn)行三維成像，進(jìn)而自動(dòng)切除已成像的400微米厚度樣品，循環(huán)此過(guò)程直至樣品成像完畢。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用自動(dòng)化拼接算法對(duì)相鄰切片間約200微米的重疊區(qū)域進(jìn)行三維無(wú)縫拼接重構(gòu)。由于每次掃描成像深度僅數(shù)百微米，組織透明化后的光散射效應(yīng)弱，因此可以實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。基于這一策略，科研人員建立了優(yōu)化的技術(shù)流程，在40小時(shí)內(nèi)完成了成年小鼠全身均一亞細(xì)胞分辨率三維成像，獲得了單通道約70 TB原始圖像數(shù)據(jù)。目前累計(jì)采集數(shù)十只小鼠數(shù)據(jù)，總量超過(guò)4 PB。由于樣品制備方法具備高熒光保存性的優(yōu)勢(shì)，ARCHmap-blockface-VISoR技術(shù)兼容神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域常用的轉(zhuǎn)基因和嗜神經(jīng)病毒攜帶的熒光蛋白以及免疫熒光等標(biāo)記方法。結(jié)合上述標(biāo)記和成像技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)了小鼠全身不同類型周圍神經(jīng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和單纖維投射路徑，揭示了單個(gè)脊神經(jīng)元的跨節(jié)段投射特征，闡明了全身交感神經(jīng)的器官特異性伴血管分布模式，解析了迷走神經(jīng)的整體投射構(gòu)架和單纖維復(fù)雜投射路徑。這項(xiàng)技術(shù)有助于建立周圍神經(jīng)連接圖譜研究新范式以及解析神經(jīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性問(wèn)題，在發(fā)育生物學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。同時(shí)，該技術(shù)仍有優(yōu)化空間，下一步將通過(guò)使用雙相機(jī)或多相機(jī)成像進(jìn)行多通道圖像同時(shí)采集，提高數(shù)據(jù)采集效率，探索其在更大尺度生物樣品成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。7月10日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上。研究工作得到得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和安徽省自然科學(xué)基金等的支持。論文鏈接實(shí)驗(yàn)技術(shù)和示范數(shù)據(jù)集鏈接blockface-VISoR成像系統(tǒng)小鼠全身blockface-VISoR成像流程與周圍神經(jīng)介觀結(jié)構(gòu)解析

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