在探索生命奧秘的征程中，神經生物學一直致力于解讀大腦的神秘密碼，從神經元的精細結構到復雜的神經回路，從大腦的正常功能到神經疾病的發(fā)病機制，每一個問題都吸引著無數(shù)科研人員的目光。然而，受限于觀測技術，許多微觀層面的奧秘長期以來深藏不露。直到單分子定位超分辨顯微技術出現(xiàn)，它如同神奇的鑰匙，為我們打開了通往神經生物學微觀世界的大門，讓許多曾經模糊的景象變得清晰可見。
 

研究背景：技術新發(fā)現(xiàn)
突破光學衍射極限的神奇技術
單分子定位超分辨顯微技術的出現(xiàn)，成功突破了光學衍射極限的束縛，并誕生了多種具有代表性的技術。光激活定位顯微技術（PALM）利用光激活熒光蛋白的開關特性，先激活稀疏熒光分子，再激發(fā)并捕捉圖像，通過多次重復和擬合確定分子位置來重建圖像。隨機光學重建顯微技術（STORM）則使用有機熒光染料，通過染料分子間的能量傳遞實現(xiàn)開關狀態(tài)轉換，進而完成超分辨成像。基于DNA的納米形貌成像點積累技術（DNA-PAINT）利用DNA鏈的特性，通過熒光標記的寡核苷酸與DNA互補鏈的重復、瞬時結合，實現(xiàn)熒光的開啟和關閉，從而實現(xiàn)超分辨重構，為科研人員提供了多樣化的研究手段。

三維視角下的微觀解析：3D-SMLM技術
細胞生活在三維空間中，傳統(tǒng)的二維成像技術無法滿足對細胞結構和功能精細化研究的需求，于是三維單分子定位技術（3D-SMLM）應運而生。它的核心在于將單分子的軸向信息通過點擴散函數(shù)的平面形狀展現(xiàn)出來，主要原理可分四類。

提升成像質量的關鍵：PSF擬合與像差分析
在3D-SMLM中，PSF定位的精度和準確度對重構圖像分辨率起著決定性作用。然而，在實際成像過程中，生物樣品會帶來像差。生物體內細胞被多種物質包圍，具有一定厚度，成像環(huán)境復雜，會改變熒光信號，扭曲單分子的形貌，影響定位精度和準確度，導致三維重構結構失真。為了解決這一問題，科研人員采用了兩種方法。

自適應光學技術通過測量像差，并利用變形鏡、空間光調制器等波前校正元件進行校正，提高成像質量，但由于設備限制，無法完全補償所有像差。原位點擴散函數(shù)檢索方法（INSPR）則直接從單分子數(shù)據(jù)集中構建PSF模型，成功捕捉厚生物樣本帶來的單分子形貌畸變，提升了定位精度。將自適應光學和INSPR方法聯(lián)合使用，可以進一步提高三維重構的成像深度和質量，為神經生物學成像提供有力支持。

多色成像：微觀世界的多彩畫卷
多色單分子定位顯微鏡技術不僅能提供高分辨率的結構信息，還能分析不同目標分子的空間結構及其相互作用。多色成像的關鍵在于準確區(qū)分和檢測目標分子的顏色信息，根據(jù)采集方法不同，主要分為順序采集和同時采集兩大類。

技術創(chuàng)新與應用：在神經生物學領域的重大發(fā)現(xiàn)
神經元的精細結構解析
神經元是大腦功能的基本單元，其結構和功能的研究一直是神經生物學的重點。在神經元周期性膜骨架方面，研究發(fā)現(xiàn)肌動蛋白和血影蛋白在神經元中發(fā)揮著重要作用。莊小威團隊利用3D-STORM技術，在海馬神經元細胞軸突上解析出周期性膜骨架的精細結構，肌動蛋白-帽蛋白復合物呈環(huán)狀結構均勻排布，血影蛋白四聚體連接在復合物環(huán)之間，構成階梯狀長程序列。后續(xù)研究還發(fā)現(xiàn)這種結構在軸突、樹突、樹突棘等多個部位均存在，表明它是神經系統(tǒng)細胞骨架的普遍特征，并且在神經元的發(fā)育和功能調節(jié)中具有重要意義。

突觸是神經元之間傳遞信息的關鍵部位，與學習、記憶等高級神經功能密切相關。單分子定位超分辨顯微技術在突觸蛋白納米結構域的研究中取得了豐碩成果。莊小威團隊用多色3D-STORM方法確定了多種突觸蛋白之間的距離和空間關系。其他研究也發(fā)現(xiàn)了突觸后密度蛋白及其聚集的神經遞質受體的納米結構域動態(tài)變化，這些變化與突觸可塑性密切相關，有助于我們深入理解神經遞質信號的傳遞和突觸功能的調控機制。通過原位三維單分子定位超分辨顯微技術，科研人員可以繪制大腦神經元單細胞水平的投射圖譜。

阿爾茲海默癥的研究新突破
淀粉樣斑塊是AD的主要病理特征之一，由Aβ蛋白異常聚集形成。科研人員利用技術對Aβ聚集過程和聚集物形態(tài)進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)了Aβ斑塊內纖維組織的高空間異質性。研究還揭示了Aβ聚集體與突觸后受體結合后的毒性作用機制，為AD治療提供了新的策略方向。神經原纖維纏結也是AD的重要病理特征，STORM技術詳細描繪了神經原纖維纏結在神經元胞體和軸突中的不同形態(tài)。對AD患者大腦中病理變化的精確位置和分布進行研究至關重要，這些研究有助于我們理解AD的發(fā)生進程，為疾病的診斷和治療提供關鍵信息。

應用總結與前景
單分子定位超分辨顯微技術在神經生物學領域已經取得了令人矚目的成果，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。神經活動是快速動態(tài)變化的過程，需要更高的時間分辨率來捕捉；神經系統(tǒng)細胞種類繁多且相互作用復雜，需要更先進的多色成像技術來區(qū)分不同細胞和分子；在研究大腦等神經組織時，需要兼顧不同深度和視場的成像需求。未來，這項技術將朝著復雜生物系統(tǒng)超分辨原位解析和定量生物分析工具兩個方向發(fā)展。在復雜生物系統(tǒng)研究中，先進的分析方法將進一步增強SMLM提供分子動力學、空間組織和相互作用等信息的能力，幫助我們更精準地解析生命現(xiàn)象。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
喬鈺媛, 張亦晴, 陳太龍, 曹健, 劉建麗, 徐帆. 單分子定位超分辨顯微技術在神經生物學中的應用（特邀）[J]. 中國激光, 2025, 52(09): 01.

DOI：10.3788/CJL241349.