上為Thy1-EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠全身神經(jīng)（藍色）和血管（紅色）三維重建，下為抗體標記的小鼠全身交感神經(jīng)三維重建。中國科學技術(shù)大學供圖
■本報記者 王敏
生物體內(nèi)，一張由億萬外周神經(jīng)纖維編織成的精密“生命物聯(lián)網(wǎng)”，承載著大腦與全身器官的雙向通信，調(diào)控運動、感覺以及內(nèi)臟的功能。
然而，看清這張網(wǎng)絡的“真容”卻極其困難。因為神經(jīng)纖維直徑僅為發(fā)絲直徑的幾十分之一，蜿蜒交織遍布全身。長期以來，在“看得清”單根神經(jīng)纖維的同時，如何“看得全”全身神經(jīng)網(wǎng)絡整體構(gòu)架，是神經(jīng)科學領(lǐng)域亟待突破的技術(shù)瓶頸。
中國科學技術(shù)大學教授畢國強、劉北明與合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院、中國科學院深圳先進技術(shù)研究院團隊合作，首創(chuàng)了一套全球最快的小鼠全身亞細胞分辨率三維成像技術(shù)“blockface-VISoR”。
該技術(shù)僅用40小時就能完成成年小鼠全身神經(jīng)網(wǎng)絡的高清成像，并繪制出外周神經(jīng)的精細圖譜。其成像效率較現(xiàn)有技術(shù)提高數(shù)倍至數(shù)十倍，成像分辨率也從傳統(tǒng)光片顯微成像的組織細胞級提升至均一亞細胞級，可清晰捕捉直徑數(shù)微米的單根神經(jīng)纖維。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《細胞》。
畢國強表示，這項突破性技術(shù)不僅有助于建立外周神經(jīng)連接圖譜研究的新范式，解決神經(jīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性問題，還在發(fā)育生物學、系統(tǒng)解剖學和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要應用前景。
40小時實現(xiàn)小鼠“全身成像”
神經(jīng)系統(tǒng)由中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)組成，是一個由遍布全身的復雜神經(jīng)元相互連接的網(wǎng)絡。
前期研究中，畢國強團隊研發(fā)了全球最快的同步飛掃“VISoR”技術(shù)，在2019年實現(xiàn)了1.5小時內(nèi)小鼠全腦的亞微米分辨率成像、2021年實現(xiàn)了獼猴全腦微米分辨率三維成像。
然而，這種先切片后透明化的全腦成像策略不適用于小鼠全身樣品。“因為與相對致密均質(zhì)的大腦不同，小鼠身體里有很多相當獨立的內(nèi)臟器官，它們之間又有很多空腔，在切片過程中很多組織容易散落丟失?！碑厙鴱娤颉吨袊茖W報》介紹。
針對這一技術(shù)難題，團隊提出“小鼠全身透明處理-原位切片+切面三維成像”策略，改進了小鼠全身透明化處理的流程，研發(fā)了新的“blockface-VISoR”成像系統(tǒng)——在VISoR顯微鏡上直接搭建了一臺精密自動切片裝置。
“具體來說，我們首先對透明小鼠樣品進行逐層切片，然后在切片組織表面下0.6毫米的深度拍攝三維圖像。每拍完一層，就切掉樣品0.4毫米組織。如此循環(huán)推進，大約切了200多次后，完成了整只小鼠的全身神經(jīng)圖像采集。最后通過計算機將數(shù)百層圖像無縫拼接成完整的三維結(jié)構(gòu)?！碑厙鴱娬f。
這種策略解決了小鼠樣品整體成像時深層組織模糊的問題，首次在40小時內(nèi)實現(xiàn)了成年小鼠全身均一的亞細胞分辨率三維成像，可以清晰看見小鼠的單根神經(jīng)纖維。據(jù)悉，單只小鼠可產(chǎn)生約7萬GB的龐大原始圖像數(shù)據(jù)，相當于數(shù)千部高清電影。
《細胞》審稿人評價這項工作說：“這些分析在群體和單細胞層面均產(chǎn)生了驚人的精細數(shù)據(jù)。尤為重要的是，這項技術(shù)的初步應用為相關(guān)研究帶來了新見解。”
開啟“看見全身神經(jīng)網(wǎng)絡”新時代
值得一提的是，由于樣品制備方法具備高熒光保存性，“blockface-VISoR”成像技術(shù)可以兼容神經(jīng)科學領(lǐng)域常用的標記方法。
畢國強介紹，比如，當前的工作與轉(zhuǎn)基因鼠熒光標記、免疫熒光標記和嗜神經(jīng)病毒示蹤方法結(jié)合，可精確解析腦神經(jīng)、脊神經(jīng)和自主神經(jīng)等不同類型外周神經(jīng)的三維連接結(jié)構(gòu)，為中樞-外周神經(jīng)圖譜繪制、疾病機制解析等提供全維度研究技術(shù)。
此次研究中，團隊取得了一系列突破性成果：通過追蹤單根神經(jīng)纖維，首次發(fā)現(xiàn)脊神經(jīng)元投射的新特征；通過全身免疫熒光標記，構(gòu)建首個小鼠全身交感神經(jīng)系統(tǒng)的高精度圖譜……
“眼見為實。我們可以不依賴間接證據(jù)，直接‘看見’全身神經(jīng)網(wǎng)絡如何精密連接、如何與不同組織器官互相作用。”畢國強認為，這項技術(shù)有望通過系統(tǒng)破解“生命物聯(lián)網(wǎng)”的線路圖，幫助解答生物醫(yī)學領(lǐng)域許多懸而未決的關(guān)鍵問題，并為未來精準醫(yī)學新技術(shù)的開發(fā)奠定底層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
例如，通過全面精準定位神經(jīng)退行性疾病的早期結(jié)構(gòu)變異，明確疾病的致病機理；以可視化方式評估藥物對全身組織和器官的靶向效果，加速藥物研發(fā)進程；通過了解交感和迷走神經(jīng)的準確投射路徑，優(yōu)化外周神經(jīng)調(diào)控療法。此外，未來還可以通過人體成像，把千年歷史的人體解剖圖譜升級為具有細胞分辨率的介觀數(shù)字生命模型，為器官再造組織工程提供藍圖。
以技術(shù)和數(shù)據(jù)推動生物醫(yī)藥交叉合作
對于該研究，美國加州大學圣地亞哥分校神經(jīng)物理學家David Kleinfeld和Beth Friedman認為，近幾十年來，全身性功能的理解長期受限于缺乏完整的周圍神經(jīng)環(huán)路圖譜，“畢國強團隊的開創(chuàng)性工作，將高通量全身成像技術(shù)推至能夠繪制腦神經(jīng)與外周神經(jīng)的單神經(jīng)元纖維水平圖譜。該新技術(shù)實現(xiàn)的完整性與精確性，為整合神經(jīng)功能與動物系統(tǒng)生理學研究提供了急需的技術(shù)框架，標志著向整體觀工程研究范式的重要轉(zhuǎn)變”。
畢國強表示，blockface-VISoR成像技術(shù)仍有改進空間。下一步，團隊將通過升級多相機成像系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)采集效率，探索在更大尺度生物樣品成像領(lǐng)域的應用。未來，團隊將持續(xù)公開研究成果圖像數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)資源全球共享，以技術(shù)和數(shù)據(jù)推動生物醫(yī)藥交叉合作。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.011
《中國科學報》(2025-07-15 第1版 要聞)本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-6037-0.html“纖”毫畢見！新技術(shù)實現(xiàn)小鼠最快“全身成像”
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