超分辨显微镜成像助力学者探询神经回路

来自哈佛大学的研究人员报告称，她们采用超高分辨率成像绘制出了神经元突触输入区的图谱。这一重要的研究成果发布在10月8日的《细胞》（Cell）杂志上。 论文的通讯作者是有名的华人女科学家庄小威（Xiaowei Zhuang）。庄小威早年毕业于中国科技大学少年班，34岁时成为了哈佛大学的化学和物理双学科正教授，是哈佛物理系和化学系少有的双科教授。2012 年庄教授当选为美国国家科学院院士，刷新了美国科学院*年轻华人院士的纪录。她所研发的超高分辨率技术STORM与诺奖得主Eric Betzig的成果不相伯仲，却和2014年的诺贝尔化学擦肩而过。

从单个神经元的突触区域到整个大脑的布线图，在多个尺度上绘制出突触连接，对于了解神经回路的功 能机制以及回路缺陷如何导致了精神疾病至关重要。绘制突触连接图的理想平台应该可以提供高分辨率的结构信息，来可靠地识别突触连接及准确将突触分配给神经 元；能够成像诸如神经递质受体一类的，对确定突触身份和特性很重要的特异分子；具有自动图像分割能力能够有效地分析大容积重建成像来捕获整个神经系统或 回路。

当前荧光显微镜和电子显微镜(EM)均被利用于神经回路成像。EM能提供精致的空间分辨率和膜反差由此精确识别突触，现代EM的高成像速度使得能够 实现越来越大容积重建成像。然而由于高质量EM成像需要严格的固定和样品制备条件，标记内源性突触蛋白来确定突触的分子特性和功能特性对于大容积重建成像 仍然是一个艰难的任务。此外，EM自动分割图像仍然是个挑战，成为了扩大神经回路分析的一个瓶颈。比较而言，荧光显微镜能够兼容免疫组化和内源性蛋白成 像，多种颜色的荧光信号可帮助简化自动图像分割任务实现有效的数据分析。但荧光显微镜有限的衍射分辨率可导致识别和分配重建回路中的突触时出现错误。

超分辨显微镜成像可以克服衍射限制，通过整合高成像分辨率来识别和分配突触实现蛋白质特异性标记确定突触分子特性，及采用多颜色成像实现有效地数据分析，来提高突触重建神经回路的能力。

在这里研究人员报告称开发出了一种超高分辨率容积重建平台，用于大容积成像及利用分子特性信息自动细分神经元与突触。她们利用这一平台绘制出了给光 -撤光型(ON-OFF) 方向选择性神经节细胞(direction-selective ganglion cell, DSGC)抑制突触输入区的图谱，在小鼠视网膜中这些细胞对于计算视觉运动方向起重要作用。重建On-Off DSGCs显示出一个GABA能受体亚型特异性输入区负责生成了方向选择性反应。这些结果证实了这一超高分辨率平台在探询神经回路方面具有的独特能力。