中研院開發新顯微技術 萬倍放大三維成影透視全腦

中研院開發新顯微技術 萬倍放大三維成影透視全腦

【NOW健康 陳敬哲/台北報導】立體果蠅大腦分子眼前展現,探求腦部神秘跨大步。中央研究院發表,超解析三維光學顯微技術,藉由「透化層光定位顯微鏡」,讓觀測角度從細胞層級推展到能看見大1萬倍的組織層級,例如果蠅全腦,未來若用於人類大腦,有潛力揭開大腦記憶機制的神祕面紗,為組織生理與病理學研究帶來嶄新的突破。

 

透化層光定位顯微鏡由中央研究院應用科學研究中心助研究員陳壁彰,與國立清華大學生命科學院院長暨腦科學中心主任院士江安世供同開發,陳壁彰師承2014年諾貝爾獎得主貝吉格(Eric Betzig)博士,在新技術下,將生物組織在顯微鏡下變得透明,以掌握單一蛋白質分子的數量及空間分布。

 

這項技術能1次解構果蠅全腦的多巴胺神經網路,並看見記憶蛋白在特定神經細胞突觸上的新生。研究論文已於今(2019)年10月18日刊登在《自然通訊》(Nature Communications)。

 

果蠅大腦的蕈狀體(mushroom body)與記憶息息相關。研究團隊比較了有受記憶訓練及沒有受記憶訓練的果蠅蕈狀體,觀察其中「囊泡單胺運轉蛋白質」(vesicular monoamine transporter)的分布後,發現只有在部分的突觸會有此種蛋白質增加。

 

這表示,在單一1顆神經細胞中,記憶不僅會存在細胞本體,更會儲存在於神經細胞溝通的橋樑之間。

 

此研究發現是「超解析三維光學顯微技術」首次應用成果。陳壁彰表示,這項最新技術可視為他今年稍早發表在Communications Biology研究的進階版。該研究是利用層光定位顯微鏡,達到小於100奈米(nm)的三維空間解析度,除可看見細胞核孔的大小,更具有三維活體超分辨的解析力。

 

中研院強調,要將貝吉格博士的超解析螢光技術從二維細胞影像推進到三維組織研究,存在許多難題,例如不透明的果蠅大腦光線穿透率很低、螢光染料難以均勻分布,以及層光顯微鏡觀察對象受限於很薄的單層細胞等。

 

為了解決這些問題,有賴跨領域實驗室之間的交流合作,包含物理與應用科學等,最後終於讓「透化層光定位顯微鏡」成功在深約0.5 mm的大腦空間中,看見蛋白質分子的分布情形,並在加快電腦軟體運算效能下,原本1個晚上僅能解析1層二維的細胞影像,如今1天即可解析1隻果蠅全腦的三維影像。

 

本次研究成果得以實現,除了應用科學研究中心內部經費支持外,也獲得了包括中央研究院前瞻計畫、科技部特色領域中心計畫、教育部深耕中心計畫等多項補助。

 

中研院應科中心主任果尚志表示,目前該中心與清華大學生命科學院及腦科學研究中心即將簽署菁英博士班合作備忘錄,希望在雙方單位既有的基礎上擴大合作。此項計畫將提供成績優良及具研究潛力的博士班研究生每月優渥的獎學金,共同培育更多基礎科研人才。

 

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