新颖的显微镜方法提供了更清晰的大脑神经网络视图

哈勃太空望远镜于1990年进入轨道后不久，人们就发现它的视力模糊。幸运的是，几年后，航天飞机上的宇航员通过补充光学设备解决了这个问题。现在，一组意大利研究人员对一种显微镜成像技术进行了类似的视力矫正壮举，该技术旨在探索一个看起来和哈勃望远镜一样广阔但在尺寸光谱的另一端的宇宙——大脑的神经通路。

“我们的系统结合了一个的最佳功能显微镜技术-对样品的多个部分进行高速、单平面成像-第二种方法消除了伴随的散射问题背景光Francesco Pavone说，他是一个来自六个意大利研究机构的合作团队的领导者，也是一篇描述这一进展的论文的作者之一，该论文今天发表在光学学会(OSA)的开放获取期刊上光学表达．

基于光片的显微镜(LSM)，也被称为单平面照明显微镜(SPIM)，是最先进的显微镜成像用一种由实验室提供的薄光照射生物样品的方法激光光束缩小到只有几微米，或百万分之一米，从侧面照射，而不是像传统光源那样从上方或下方照射。荧光从被照射的样品上反弹，向上通过透镜辐射，被聚焦并被数码相机捕捉。

因为光片照射的部分样品直接在同一平面上，只有单一的截面目标一次成像。提高和降低照明平面，以及旋转样品，迅速产生一系列的二维截面视图，称为“切片”，可以产生整个生物体或其任何器官/系统的三维地图，当单个的二维视觉块聚集在一起时。

科学家们试图在患有LSM的小鼠身上调查的一个区域是神经通路，即构成大脑功能基础的数十亿倍的神经元网络。虽然LSM方法产生了从小鼠大脑中切除并固定位置的高分辨率组织视图，但整个大脑样本会散射发出的光，并产生背景荧光，从而降低对比度并模糊感知图像。显然，这种畸变使得我们无法用高对比度来解析和重建整个神经元网络。

为了纠正这个问题，Pavone和他的同事们结合了光片照明和共聚焦显微镜的优点，共聚焦显微镜是一种成像方法，使用滤光片去除从单平面的光子薄钢板．

Pavone说:“我们发现，我们称之为共聚焦光片显微镜(CLSM)的组合系统过滤了发射的散射光子，并实时恢复了通常丢失的图像对比度，而不需要多次采集或对采集的数据进行任何后处理。”“这使我们能够获得清晰的图像切片，可以很容易地重建成整个器官或整个生物体的宏观视图，分辨率只有几微米，采集时间也更快。”

帕沃内说，用CLSM获得的图像比用传统LSM获得的图像清晰100%。

研究人员验证了CLSM的背景抑制能力，证明它产生的图像比传统的LSM显微镜和需要冗余切片和后处理以去除散射光的LSM的变体更清晰。CLSM被证明优于其他两种方法，当用于观察小鼠大脑的三个样本时:海马体、小脑和整个大脑。CLSM的三维重建能力也受到了测试，当研究人员用它来绘制小鼠浦肯野细胞(小脑中的大型神经元)的微米级神经解剖学图，并追踪整个大脑的神经元投射(神经元的手指状末端，通过它从其他神经接收神经化学信号)。

据该研究小组的另一名成员Ludovico Silvestri说，这是第一次对荧光小鼠大脑进行如此清晰的完整成像。他补充说，原则上，如果目前荧光染色大块固定组织的障碍可以克服，这项技术应该适用于人脑样本。

“CLSM所保证的高对比度荧光和快速获取可能是一种强大的工具，可以帮助神经科学家通过大脑的神经元通路导航，”Pavone说。“虽然这项研究的重点是大脑成像，但我们相信CLSM也非常适合在微米级分辨率下探索不同标本的解剖结构，如老鼠器官、胚胎和苍蝇。”

Silvestri说，除了改进CLSM以提高其成像能力外，研究小组还使用CLSM对包括自闭症和缺血性中风在内的几种疾病的小鼠模型进行成像。他说:“我们希望，我们所能获得的全脑断层扫描有一天能深入了解这些和其他大脑疾病的机制。”