CSFT——全脑成像技术再迎革新

对全脑神经解刨构架的透彻研究，对于理解大脑细胞组成，细胞连接和工作机制是至关重要的。然而，现有的全脑成像技术面临这一个这样的挑战，即在全脑范围观察神经元精细结构时，如何同时保证高对比度（低背景）和高通量。

在常规宽场成像中（如光片成像，block-face方法），成像层会受到来自非成像层的荧光干扰。以往，解决策略是通过共聚焦，双光子等方法规避这种干扰，然而由于其点扫描的特性，又会大大降低成像速度和通量。

近日，华中科技大学团队合作，建立了化学选择的荧光断层成像技术（chemical sectioning fluorescence tomography, CSFT），解决了这一困扰神经科学家的难题。

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CSFT基本原理

简单来讲，CSFT通过仅让组织最顶层蛋白发光，结合fMOST成像方法（fluorescence micro-optical sectioning tomography)，实现在高通量成像中的排除背景干扰。

带有GFP荧光蛋白的鼠脑在酸性包埋介质中，此时酸性环境会让GFP淬灭，荧光蛋白处于“OFF”状态。然后将其置于碱性缓冲液中，结合fMOST成像技术，切片露出成像层，成像层表面和缓冲液接触，只有这薄薄一层荧光蛋白恢复荧光，回到“ON”的状态，下层蛋白仍处于“OFF”状态，因此可以得到很干净的背景和高对比度。这一层成像结束后被切掉，露出接下来的成像层，重复直至完成全脑成像。

图1 CSFT原理

结果展示

研究者接着利用Thy1-GFP/YFP转基因小鼠测试这一成像体系。在分辨率方面，60倍镜下最高横向分辨率可达0.116 * 0.116 mm2，可以清晰的看清神经纤维。在稳定性方面，全脑成像过程中信号强度和质量没有明显改变。研究者还利用病毒测试了特异性神经元类别的成像，在锥体神经元，PV+神经元成像结果中，都可以很好地辨认其特征结构。

图2 Thy1-EGFP-M小鼠全脑CSTF成像

成像分辨率和质量是三维重构效率和可行性的关键。研究者用CSFT重构躯体感觉皮层椎体神经元，在结果中，不论在长投射轴突区域还是附近轴突区域，所有35个椎体神经元都被完整还原。说明CSFT适用于全脑单个神经元，以及全脑单个神经元连接组研究。

图3 椎体神经元三维重构

接着研究者证明CSFT在多色成像任务中也表现优良。通过优化包埋介质和荧光蛋白筛选，研究者又找到三种适用于CSFT方法的荧光蛋白（mClover3, pHOran4, mKate FPs），其可以和GFP结合使用，满足全脑多色成像的需要。

最后研究者测试了CSFT在单细胞水平上定量研究神经元亚细胞结构的表现。使用CSFT锥体神经元单细胞成像的数据，长投射轴突，树突棘和轴突结等结构都可以被识别。

总结

华中科技大学团队创建的CSFT技术可以同时保证高通量和高分辨率，大大推进了体外全脑成像，其和三维重构，多色荧光蛋白以及神经元结构分析良好的结合将在未来进一步推动神经科学的发展。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.108709

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作者：小鱼干（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）