显微镜中用于将光线聚焦在活组织内的可变形镜子。他们通常会扭曲其传播。多亏了这面镜子，我们可以看到大脑深处神经元细胞的清晰图像。图片来源：Isabel Romero Calvo/EMBL

       欧洲分子生物学实验室（EMBL） 的 Prevedel 小组开发的一项开创性技术使神经科学家能够观察大脑深处的活神经元，或隐藏在不透明组织中的任何其他细胞。该技术基于两种最先进的显微镜方法，三光子显微镜和自适应光学。 2021 年 9 月 30 日报告这一进展的论文发表在《Nature Methods》上。

       在新技术开发之前，神经科学家很难观察到在皮层深层产生钙波的星形胶质细胞，或者观察大脑深处负责空间记忆和导航的海马体中的任何其他神经细胞。这种现象经常发生在所有活哺乳动物的大脑中。通过开发这项新技术，来自 Prevedel组的 Lina Streich 和她的合作者能够以前所未有的高分辨率捕捉到这些多功能细胞的精细细节。国际团队包括来自德国、奥地利、阿根廷、中国、法国、美国、印度和约旦的研究人员。

        在神经科学中，大脑组织主要在小型模型生物或需要切片的离体样本中观察到——这两者都代表非生理条件。正常的脑细胞活动只发生在活体动物身上，但Robert Prevedel说：“老鼠的大脑是一种高度散射的组织”，“在这些大脑中，因为光与细胞成分相互作用，它不能很容易地聚焦。这限制了生成清晰的深度图像，并且很难用传统技术聚焦大脑深处的小结构。 ”

       多亏了实验室的前博士生 Streich，他为解决这个问题工作了四年多，现在科学家们可以更深入地观察组织。

        受过训练的物理学家 Prevedel 解释说：“使用传统的荧光脑显微技术，荧光分子每次吸收两个光子，你可以确保辐射引起的兴奋被限制在一个小体积内”，“但光子传播得越远，它们就越有可能因散射而丢失。” 克服这一问题的一种方法是将激发光子的波长增加到红外线，从而确保有足够的辐射能量被荧光团吸收。此外，使用三个光子而不是两个光子可以获得更清晰的大脑内部图像。但另一个挑战仍然存在：确保光子聚焦使整个图像不模糊。

        这就是 Streich 和她的团队使用的第二种技术很重要的地方。天文学中经常使用自适应光学——事实上，发现黑洞，对于 Roger Penrose、Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 获得 2020 年诺贝尔物理学奖至关重要。天体物理学家使用可变形的、计算机控制的镜子来实时校正大气湍流引起的光波前畸变。在 Prevedel 的实验室中，畸变是由散射的不均匀组织引起的，但原理和技术非常相似。Prevedel 解释说：“我们还使用了一个主动控制的可变形镜，它能够优化波前，甚至使光线在大脑深处会聚和聚焦。” Streich补充说：“我们开发了一种定制的方法，使其足够快并可以用于大脑中的活细胞”。为了减少该技术的侵入性，该团队还减少了获取高质量图像所需的测量数量。

       Streich 说：“这是第一次将这些技术结合起来”，“多亏了它们，我们能够以高分辨率显示体内活神经元的最深的图像。” 与来自罗马 EMBL 和海德堡大学的同事合作的科学家们甚至将连接海马神经元的树突和轴突可视化，同时使大脑完全完好无损。

       Streich 说：“这是发展更先进的非侵入性技术来研究活组织的飞跃”。尽管该技术是为用于小鼠d大脑而开发的，但它很容易适用于任何不透明的组织。“除了能够在不需要牺牲动物或去除覆盖组织的情况下研究生物组织的明显优势之外，这项新技术还开辟了纵向研究动物的道路，即从疾病发作到结束。这将为科学家提供一个强大的工具，以更好地了解组织和器官中疾病的发展方式。”