《Cell》：“看穿”大脑！新型超级显微镜结合活体颅骨透明技术获得大视场高分辨脑结构！

2024年9月13日，清华大学戴琼海院士团队（以下称“团队”）在《细胞》（Cell）发表题为“长时程活体介观成像完整记录哺乳动物器官尺度的三维细胞交互行为（Long-term mesoscale imaging of 3D intercellular dynamics across a mammalian organ）”的研究，正式宣布新一代介观活体显微仪器RUSH3D系统的问世。RUSH3D系统在兼具厘米级三维视场与亚细胞分辨率的同时，能够以20Hz的高速三维成像速度实现长达数十小时的连续低光毒性成像，实现介观尺度上全景、动态、长时程的哺乳动物活体组织中多样化细胞间的交互行为的观测。

团队先后提出扫描光场成像原理、数字自适应光学架构、虚拟扫描算法、共聚焦扫描光场架构、自监督去噪算法等一系列关键理论与技术，相关成果均发表在Cell、Nature、 Nature Biotechnology、Nature Methods等国际期刊，逐一攻克了介观活体显微成像中一系列壁垒，为新一代介观活体显微仪器奠定了基础。

团队利用RUSH3D在脑科学、免疫学、医学与药学等多学科领域取得了令人瞩目的成果。他们首次在活体小鼠上以单细胞分辨率实现了覆盖大脑皮层2/3层的高速长时程三维观测，捕捉了多感官刺激下皮层各脑区的各异性响应模式，能够连续多天以单神经元精度追踪大规模神经响应。长时程记录了B淋巴细胞参与小鼠淋巴结多个生发中心（GC）形成的完整过程，并观测到了T细胞在多个GC之间完整迁移的过程。

RUSH3D在创伤性脑损伤的研究方面大显身手。创伤性脑损伤通常是由突然的外力撞击大脑引起的，为了更有效地治疗创伤性脑损伤，深入了解其后的免疫反应及其复杂性至关重要。常规采用开颅骨窗或薄颅骨进行光学成像，操作过程中造成的出血和炎症反应可能干扰结果。近年来，科研人员提出用化学试剂降低颅骨散射，直接提升颅骨透明度，即“光透明颅窗（Skull optical clearing window）”技术，这样可在无需对颅骨进行外科手术的情况下，实现皮层成像。

研究团队结合佳维斯的长效光透明颅窗（TIS）首次观测到了急性脑损伤后多脑区的免疫反应，发现大量中性粒细胞从非血管区域往脑内的迁移与回流过程。首次在小鼠免疫反应过程中同时观测到了淋巴结内多个生发中心的形成过程，以及T细胞在不同生发中心之间的迁移现象。

上述研究结果展示了介观尺度活体成像在神经科学、免疫学、肿瘤学、药学等领域前沿研究的广阔应用前景，为人类探索生命奥秘打开了新的大门。

 

使用TIS 窗技术可实现小鼠皮层高分辨（神经元树突棘，免疫细胞）、大深度（~900μm）、长时程（数周）、大视野成像，还可用于清醒动物神经活动的观测。与近红外成像、激光散斑成像、双光子成像、拉曼成像、荧光成像等多种光学检测技术结合无创、非侵入式获得颅骨下神经、血管和细胞的高清影像结果，大大提高各类活体光学成像分辨率和成像深度。

该透明技术具有非浸入式无创透明小鼠颅骨、安全无毒副作用、可实现长期颅骨透明（1周以上）、无需开颅窗或磨颅骨即可实现大脑皮层活体成像等优点。

长效活体颅骨透明试剂盒 

 

 

 操作流程  

 

• 第一步：麻醉小鼠，脱毛膏去除小鼠头皮毛发

• 第二步：剪开头皮，暴露颅骨，棉球去除颅骨表面薄膜

• 第三步：固定颅窗板（避开皮肤和颅骨中缝，防止漏液），固定到支架上

• 第四步：在颅窗孔内涂抹S1试剂10分钟，去除后涂抹S2试剂5分钟

• 第五步：去除S2后涂抹S3试剂，用紫外光照射1分钟固化

• 第六步：长效颅窗开窗结束，使用RUSH3D进行成像

   

 

 应用场景 

 

 

可重复开关的活体颅骨透明窗

 

      活体颅骨透明前后大脑激光散斑成像

 

活体颅骨光透明前后大脑皮层神经三光子成像

 

活体颅骨光透明颅窗结合双光子用于大视场、高分辨成像