IT之家 7 月 11 日消息，中國科學技術大學畢國強教授、劉北明教授聯(lián)合合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院和中國科學院深圳先進技術研究院團隊，突破性研發(fā)出全球最快的小動物全身亞細胞分辨率三維成像技術，首次實現(xiàn)小鼠全身神經(jīng)網(wǎng)絡精細三維圖譜高清繪制。

相關成果于北京時間 7 月 10 日發(fā)表于國際學術期刊《細胞》上（IT之家附 DOI:10.1016/j.cell.2025.06.011），為解析周圍神經(jīng)調(diào)控網(wǎng)絡及疾病機理研究提供了全新工具。

▲小鼠全身周圍神經(jīng)結(jié)構三維可視化

周圍神經(jīng)系統(tǒng)作為機體的“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：一方面?zhèn)鬟f運動指令、調(diào)控呼吸心跳等關鍵功能，另一方面將痛覺、溫度覺等感知信號實時回傳至中樞進行處理，從而協(xié)同各組織器官活動。繪制遍布全身的周圍神經(jīng)系統(tǒng)的精細連接圖譜，是深入理解其復雜功能機制和相關疾病機理的關鍵。

長期以來，科學家對周圍神經(jīng)系統(tǒng)整體構架的認知主要依賴于毫米級分辨率的解剖學研究。近十年來，三維光學顯微技術的進步雖推動了微米級分辨率全腦介觀神經(jīng)圖譜的解析，但對全身周圍神經(jīng)系統(tǒng)的研究仍面臨技術瓶頸。現(xiàn)有前沿成像技術難以同時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胞分辨率解析周圍神經(jīng)系統(tǒng)復雜的長程通路結(jié)構。

研究團隊此前開發(fā)了新型同步飛掃技術（VISoR），該技術結(jié)合大體積生物樣品厚切片和透明化處理進行三維顯微成像。VISoR 兼具高速、高分辨率和可擴展性，可在 1.5 小時內(nèi)完成小鼠全腦樣品的亞微米分辨率成像，并在進一步優(yōu)化后首次實現(xiàn)了獼猴全腦微米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，在切片過程中極易發(fā)生組織離散和丟失，導致難以完整重構。

針對這一技術難題，團隊提出“樣品原位切片 + 切面三維成像”的策略，并研發(fā)了整合精密振動切片裝置的 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。該技術流程的核心在于：每次僅對樣品塊表面約 600 微米深度進行三維成像，然后自動切除已成像的 400 微米厚度樣品，循環(huán)此過程直至樣品成像完畢。隨后，利用自動化拼接算法對相鄰切片間約 200 微米的重疊區(qū)域進行三維無縫拼接重構。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弱，因此能實現(xiàn)高分辨率成像。基于此策略，研究人員建立了優(yōu)化的技術流程，在 40 小時內(nèi)完成了成年小鼠全身均一亞細胞分辨率三維成像，獲取單通道約 70 TB 原始圖像數(shù)據(jù)。目前已累計采集數(shù)十只小鼠數(shù)據(jù)，總量超過 4 PB。

blockface-VISoR 成像系統(tǒng)

由于樣品制備方法具備高熒光保存性的優(yōu)勢，ARCHmap-blockface-VISoR 技術兼容神經(jīng)科學領域常用的轉(zhuǎn)基因和嗜神經(jīng)病毒攜帶的熒光蛋白，以及免疫熒光等標記方法。結(jié)合上述標記和成像技術，研究人員成功解析了小鼠全身不同類型周圍神經(jīng)的精細結(jié)構和單纖維投射路徑，首次揭示了單個脊神經(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，并解析了迷走神經(jīng)的整體投射構架和單纖維復雜投射路徑。

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

研究人員介紹，這項突破性的技術不僅有助于建立周圍神經(jīng)連接圖譜研究的新范式和解析神經(jīng)調(diào)控結(jié)構的基礎性問題，也在發(fā)育生物學、系統(tǒng)解剖學和生物醫(yī)藥等領域具有重要應用前景。此外，該技術仍有改進和優(yōu)化空間，下一步將通過使用雙相機或多相機成像進行多通道圖像同時采集，提高數(shù)據(jù)采集效率，并探索其在更大尺度生物樣品成像領域中的應用。