由光学学会 研究人员开发了一种3D-2PE-STED系统，可以对活老鼠大脑深处的树突棘进行成像
他们的系统显示了发生在第一天到第三天之间的细微变化(左图)
仅用双光子显微镜很难区分这些变化(右)
学分:耶鲁大学医学院乔尔格·贝沃斯多夫 研究人员开发了一种新的显微镜技术，可以从包括大脑在内的生物组织内部大约100微米深处获取亚细胞结构的三维超分辨率图像
通过让科学家更深入地了解大脑，这种方法可以帮助揭示神经元随着时间的推移、在学习过程中或由于疾病而发生的微妙变化
这种新方法是受激发射损耗(STED)显微术的延伸，这是一种突破性技术，通过克服光学显微镜的传统衍射极限来实现纳米级分辨率
斯蒂芬·赫尔因开发了这种超分辨率成像技术而获得2014年诺贝尔化学奖
在Optica中，研究人员描述了他们如何使用新的STED显微镜以超分辨率成像活老鼠大脑深处树突棘的三维结构
树突棘是神经元树突分支上的微小突起，接收来自邻近神经元的突触输入
它们在神经元活动中起着至关重要的作用
“我们的显微镜是世界上第一台在活体动物体内实现三维STED超分辨率的仪器，”耶鲁大学医学院的研究小组组长约尔格·贝沃斯多夫说
“深层组织成像技术的这种进步将使研究人员能够直接观察其天然组织环境中的亚细胞结构和动力学，”贝沃斯多夫说
“以这种方式研究细胞行为的能力对于生物医学研究和药物开发获得对生物现象的全面理解至关重要
" 深入 传统的STED显微镜最常用于培养细胞标本的成像
使用这种技术来成像厚组织或活体动物更具挑战性，尤其是当STED的超分辨率优势扩展到三维STED时
这种限制的出现是因为厚而光学致密的组织阻止了光的深度穿透和正确聚焦，从而削弱了STED显微镜的超分辨率能力
研究人员用他们的3D-2PE-STED显微镜对一只活老鼠的大脑进行成像
放大树突的一部分可以显示单个脊柱的三维结构
学分:耶鲁大学医学院乔尔格·贝沃斯多夫 为了克服这一挑战，研究人员将STED显微镜与双光子激发(2PE)和自适应光学结合起来
“2PE通过使用近红外波长而不是可见光来成像更深的组织，”玛丽·格雷斯·M说
该论文的第一作者维拉斯科
红外光不易散射，因此能够更好地穿透组织深处
" 研究人员还在他们的系统中加入了自适应光学
“自适应光学的使用纠正了光线形状的扭曲，我
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光学像差，当在组织中成像和通过组织成像时产生的像差，”维拉斯科说
在成像过程中，自适应元件以与样本中的组织完全相反的方式修改光波前
因此，来自自适应元件的像差抵消了来自组织的像差，创造了允许在所有三维空间中恢复STED超分辨率能力的理想成像条件
" 看到大脑的变化 研究人员测试了他们的3-D-2PE-STED技术，首先在盖玻片上对培养细胞的特征结构进行成像
与单独使用2PE相比，3-D-2PE-STED分辨体积小10倍以上
他们还表明，他们的显微镜能够比传统的双光子显微镜更好地分辨小鼠皮肤细胞核中的脱氧核糖核酸分布
在这些测试之后，研究人员用他们的三维2PE STED显微镜对一只活老鼠的大脑进行成像
他们放大了树突的一部分，解析了单个脊椎的三维结构
两天后，他们对同一区域进行了成像，显示脊柱结构在此期间确实发生了变化
研究人员没有观察到图像中神经元结构或小鼠行为的任何变化，这表明图像有损伤
然而，他们确实计划进一步研究这个问题
维拉斯科说:“树突棘非常小，如果没有超分辨率，很难看到它们精确的三维形状，更不用说随着时间的推移这种形状会发生什么变化。”
“3-D-2PE-STED现在提供了观察这些变化的方法，不仅在大脑的表层，而且在更深的内部，在那里发生了更多有趣的联系
"
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