i-BrainScience | 细胞街景的超高清直播

科学

2022-06-20 13:06

🧠 脑科学实验室 Vol.8

来吧，细致入微地“审视”自己

欢迎回到IDG资本脑科学实验室！

今天的内容和我们自己息息相关——就在你打开文章的这1秒，你身体里的37万亿个细胞正上演热闹的场景：

内质网结构精密的合成车间里，源源不断地产出结构复杂的生物大分子；线粒体开足马力，昼夜不息地为城市提供能量之源；小球状的溶酶体，正兢兢业业地消耗掉这座城市产生的垃圾，维持着机体的生态......

如果能有一种基于活细胞的动态观测手段，让我们在时间和空间两个维度全面明晰地观察自己，那么一切蕴藏于细胞的生命奥秘，包括生命科学的终极疆域脑科学，都将呈现在“上帝视角”下的自我审视中。

北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、未来技术学院陈良怡教授长久以来坚持探索基于活细胞的超分辨显微成像技术，并在近期取得了突破性的结果。

陈良怡教授研究团队

一起走进今天的文章，高清近距离看看我们自己的细胞宇宙。

全文共计2616字

阅读时间约6min

给细胞开设直播间

在科研中，“眼见为实”是开展实验和研究的最基础、最重要的条件之一，而实现“眼见为实”依托的是成像技术。

成像技术的发展让人类视野的极限不断延展。北京大学IDG麦戈文脑科学研究所项目负责人陈良怡教授多年来专注于超分辨显微成像技术领域，旨在让更多科研人员亲眼看到细胞研究中的3个核心问题：

1）蛋白质从哪里来

2）蛋白质到哪里去

3）蛋白质在路上跟谁“见了面”

2021年11月，陈良怡教授团队与合作者在Nature Biotechnology发文，介绍与传统超分辨率成像不同的数学/计算超分辨率方法，将活细胞的超分辨光学显微成像分辨率极限从90nm提升至60nm，能够以更快的速度（564Hz）追踪细胞内的动态变化——这项具有真正突破意义的技术为科研人员搭建了细胞的“直播间”。

成立了"细胞直播间"，还需要对直播间的码流和画质进行调试。陈良怡教授团队的成果不只是对超分辨率成像技术进行改进和提升，也寻找到了突破光学衍射极限的方式。

长久以来，超分辨率成像领域的研究者面临两大痛点：

(1) 超分辨率的光毒性限制了观察活细胞中精细生理过程；
(2) 受限于荧光分子单位时间内发出的光子数，时间和空间分辨率不可兼得。

通俗来说，喜欢摄影的朋友应该知道，运动中物体的成像质量由快门速度和光圈大小共同决定的：

如果想捕捉细小变化必须有很高的“快门速度”，那么势必要增大进光量（kW~MW/mm2照明功率），而由此引发的强漂白会破坏真实荧光结构的完整性，让所摄照片走样；如果降低照明功率，势必要延长曝光时间（> 2 s），又会导致运动伪影，使成像结果模糊而看不清楚。

因此，活细胞超分辨率成像的发展边界被光学硬件的物理瓶颈和荧光分子的化学发光数量所定义，长久以来没有实现新的突破。

‍‍陈良怡教授团队与哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院李浩宇教授团队合作，创造性地提出了两步迭代解卷积算法（即稀疏解卷积Sparse deconvolution）的设想：利用荧光信号通用的先验知识，通过计算的方式找回“丢失”的信息以实现荧光超分辨率成像，彻底规避光学仪器本身的局限性，实现计算超分辨率成像。

两步迭代解卷积算法原理示意

这是一项过于大胆的创想，因此引起了各方的质疑。实验科学讲求证据，为了说服同行，陈良怡教授的团队将这一方法应用在了不同模态的荧光试验数据上，进行了海量的实验验证，最终提供了真值作为对照，有效地证实了卷积算法的真实可靠。

稀疏解卷积算法提高共聚焦结构光以及微型化双光子等显微镜的分辨率

至此，细胞直播间顺利搭建完毕。

脑细胞直播间

陈良怡教授聊到，曾经和脑科学研究人员共同工作的经历让他把他们“看见大脑内部机制的诉求”作为自己毕生探索的方向。

作为生命科学的终极疆域，脑科学领域还有太多未知问题等待人类探索；眼下，因为成像技术的发展，很多脑科学领域的研究问题得到了实质性进展。

对智力障碍性疾病的研究

在大脑多数神经元的树突上都覆盖有一些小的突起，称为树突棘，是构成众多神经元之间发生突触连接的主要部位，也是神经元兴奋性突触信息输入的关键部位。树突棘的分布和结构在很多疾病包括各种形式的智力障碍性疾病中都会发生相应的改变。研究人员提出，树突棘的病理改变可能会导致神经元之间信息的传递出现障碍。

通过60nm超分辨光学显微镜和稀疏解卷积处理，可以观察到显著的频谱延展，研究人员能更清楚地观察到小鼠的树突棘三维结构，研究人员从而对由于疾病、损伤以及实验等所导致的极端条件下树突棘改变可以进行更完善的研究，有助于理解树突棘的重要的功能。

稀疏解卷积技术优化微型化双光子显微镜

无药可治的佩梅病从此有迹可循

佩梅病是脑白质营养不良疾病谱系中最具代表性的疾病，是X染色体隐性遗传疾病，全球发病率为十万到几十万分之一，临床特征性表现为眼球震颤、智力运动发育落后、痉挛性截瘫、共济失调等，此前没有有效治疗药物；佩梅病主要由于中枢神经系统髓鞘蛋白的主要成分PLP1蛋白基因的重复或错义突变所致，而为什么PLP1基因突变会导致不同严重程度的佩梅病分型至今仍不清楚。

陈良怡教授和合作团队利用活细胞超分辨率成像对佩梅病展开研究，在佩梅病患者群中选取了7种病人来源的不同临床分型的PLP1错义突变，筛选出两种在细胞水平上可以缓解最严重细胞表型的化合物:胆固醇和姜黄素。

通过高清的“细胞直播间”，陈良怡教授和团队筛选出来的姜黄素可以跨越血脑屏障，并且已被用于其他疾病的临床治疗，具有可靠的安全性，因此能够更快以老药新用的形式进入临床试验，这将为长期遭受该种疾病病痛折磨的患者及家庭带来希望。