Nature子刊:无标记的神经元全息成像

要以高分辨率成像一个神经元那样的复杂活细胞并不容易。目前人们所使用的方法都或多或少存在一些局限,而现在科学家们希望通过全息技术来解决这一问题。
多年以来,生物学家们一直期望以电镜的高分辨率来研究完整的活细胞。然而,电镜条件对活细胞有毒性,而光学显微镜的分辨率又受到光学衍射极限的限制。尽管超分辨率显微镜可以规避衍射极限,但这类方法对细胞也并不友好。
全息摄影的原理是Dennis Gabor为了提高电子显微镜的分辨率提出的,生物学家们一般对该技术并不了解。不过瑞士EPFL的Christian Depeursinge教授以全息技术为基础开发了一种新的成像方法,能够对活细胞进行高分辨的实时研究,文章发表在Nature Photonics杂志上。这一成像方法被称为数字全息显微技术DHM。
DHM的一大优势是,不需要进行荧光标记就可以对细胞成像。“DHM使我们可以直接观察活细胞,不需要对细胞采取介入性措施,就可以获得足够的对比度。”文章的第一作者Yann Cotte说。同时,这也避免了引入染料或标记所带来的潜在危害。随着曝光时间的增加,发光的荧光物质会对细胞产生光毒性。DHM不仅无需染料,而且曝光时间特别短,因此对细胞非常友好。这意味着DHM可以对活细胞进行长期的高分辨率研究。
研究人员指出,DHM的另一个重要特性是能够重建细胞。“2D图像只是细胞的阴影,而不是整个细胞,DHM能够为我们提供更加真实的信息。”Cotte说。这对于复杂的细胞活动来说非常重要。以神经元为例,其他成像技术很难在活体内观察到,学习和记忆过程中发生的突触可塑性,而DHM能够通过重建3D细胞影像来展示这一过程。
研究显示,DHM可以展示神经元树突棘发生的动态过程,以及局部神经网络中神经元之间的相互作用。DHM的横向分辨率可以达到70 nm,因此不仅可以显示树突棘的形态,还可以解析细胞内的细胞器,例如囊泡、线粒体、细胞核、高尔基体等。
不过,目前DHM技术还存在着一定的缺陷,例如时间分辨率。在这项研究中,一次全息信息获取需要18秒。不过研究人员指出,这个问题很容易解决,只需要搭配高速相机和扫描装置就行,而这两者都是可以在市面上买到的。因此这一技术完全可以实现对活细胞的实时观察。此外,DHM使用的是405 nm的蓝光,如果波长再长些,那么该技术对活细胞的光毒性会更少,不过这样就势必牺牲一定的分辨率,需要操作者进行适当取舍。

关于 DHM3D

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