大腦是自然界最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，是生命進化之作。然而，我們對記憶、思維和意識的產(chǎn)生機制仍然知之甚少。由于對腦結(jié)構(gòu)和功能的了解不足，許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如精神分裂癥、阿爾茨海默癥等，仍然缺乏有效的治療手段。

全腦顯微光學(xué)成像技術(shù)，能夠在介觀水平上觀測神經(jīng)環(huán)路，為我們提供了一種全新的研究工具。這項技術(shù)通過光學(xué)成像方法，能夠在橫向方向達到亞微米的分辨率，并實現(xiàn)“光學(xué)切片”，從而在大范圍內(nèi)提供精細觀察。

基于組織透明的方法

全腦顯微光學(xué)成像主要有兩種實現(xiàn)方式，一種是基于組織透明的全腦顯微光學(xué)成像，另一種是基于機械切削的全腦顯微光學(xué)成像。

組織透明化是全腦顯微光學(xué)成像的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過將組織樣本變得透明，光線能夠穿透整個樣本，從而實現(xiàn)高分辨率的成像。這種方法不僅提升了成像深度，還大大簡化了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析工作。

• PEGASOS技術(shù)：PEGASOS技術(shù)是基于有機溶劑的組織透明方法，具有透明速度快、透明程度高的優(yōu)點。然而，該方法也存在內(nèi)源熒光信號易淬滅和組織變形較大的缺點，需要在后續(xù)的圖像數(shù)據(jù)配準和數(shù)據(jù)分析中加以注意。

• 水凝膠包埋法：通過對樣本進行水凝膠包埋并進行光透明化處理，可以有效保留樣本的完整性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)合光片照明顯微鏡（LSFM）等多角度重復(fù)成像技術(shù)，可以進一步提升分辨率和圖像對比度。

光片熒光顯微鏡原理圖

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，全腦顯微光學(xué)成像技術(shù)也取得了長足的發(fā)展。例如，西湖大學(xué)高亮團隊發(fā)展的拼接光片照明顯微鏡（Tiling LSFM）技術(shù)，將獼猴全腦切成數(shù)百張薄片進行成像，首次展示了全腦范圍內(nèi)單個神經(jīng)元無中斷長程軸突投射的追蹤結(jié)果。

基于機械切削的方法

機械切削方法通過物理手段將樣本切割成薄片，并結(jié)合光學(xué)成像技術(shù)進行成像。這種方法不僅成像精度高，還具有較強的穩(wěn)定性和可靠性。

• 雙光子序列斷層成像：雙光子序列斷層成像技術(shù)利用雙光子顯微鏡對樣本進行逐層成像，通過收集每個層面的信息，最終重構(gòu)出全腦的三維結(jié)構(gòu)。該方法具有分辨率高、成像深度大的優(yōu)點。

  
  

雙光子序列斷層成像原理圖

• 塊表面序列成像：塊表面序列成像技術(shù)通過對樣本塊表面進行成像，并結(jié)合機械切削過程逐步暴露新的組織層面。這種方法可以實現(xiàn)連續(xù)的成像過程，并保持較高的成像質(zhì)量和穩(wěn)定性。

塊表面序列成像原理圖

• 顯微光學(xué)切片斷層成像系列技術(shù)（MOST）：MOST技術(shù)是一系列基于機械切削的全腦顯微光學(xué)成像技術(shù)的總稱。這些技術(shù)通過結(jié)合不同的成像方式和切削技術(shù)，實現(xiàn)了對全腦范圍內(nèi)神經(jīng)元和神經(jīng)環(huán)路的高分辨率成像。近年來，MOST技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，如深度學(xué)習(xí)在MOST技術(shù)中的應(yīng)用（DL-fMOST）、化學(xué)層析熒光顯微光學(xué)切片斷層成像（CS-fMOST）等，都進一步提升了成像的精度和效率。

幾種代表性的 MOST 技術(shù)的原理圖。（a）MOST；（b）SIfMOST；（c）HDfMOST

突破與應(yīng)用

近年來，全腦顯微光學(xué)成像技術(shù)取得了諸多突破，不僅提高了成像分辨率和速度，還拓展了其應(yīng)用范圍。例如，SI-fMOST（結(jié)構(gòu)光熒光顯微光學(xué)切片斷層成像）采用結(jié)構(gòu)光方法實現(xiàn)高通量成像，能夠在3天內(nèi)完成雙色鼠腦成像；HD-fMOST（高清熒光顯微光學(xué)切片斷層成像）則利用線照明的高斯強度分布作為自然調(diào)制，有效去除背景噪聲。

這些技術(shù)的應(yīng)用使得全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的研究成為可能，極大地推動了神經(jīng)科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。通過構(gòu)建全腦連接圖譜，科學(xué)家們能夠更好地理解大腦的工作原理，揭示疾病發(fā)生的神經(jīng)機制，為腦疾病的診斷和治療提供新的思路和方法。

總結(jié)與展望

盡管全腦顯微光學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。未來，我們需要進一步發(fā)展成像技術(shù)，提高成像分辨率和速度，同時開發(fā)更高效的樣品標記和制備方法，以及更強大的數(shù)據(jù)存儲、處理和可視化工具。只有這樣，我們才能更深入地探索大腦的奧秘，揭示更多關(guān)于人類智慧和情感的秘密。

全腦顯微光學(xué)成像技術(shù)是一項充滿挑戰(zhàn)和機遇的前沿技術(shù)。相信在不久的將來，隨著技術(shù)的不斷進步和完善，我們將能夠更清晰地看到大腦的內(nèi)部世界，解開更多關(guān)于生命的謎題。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于:江濤, 龔輝, 駱清銘, 袁菁. 全腦顯微光學(xué)成像[J]. 中國激光, 2023, 50(3): 0307101. Tao Jiang, Hui Gong, Qingming Luo, Jing Yuan. Whole-Brain Optical Imaging[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50(3): 0307101.