近期，中央研究院應用科學研究中心陳壁彰研究員團隊，開發出超高解析度光學成像技術 「聚丙烯酸鉀膨脹層光奈米顯微術(KA-ExM)」，可讓科學家以光學顯微鏡進行果蠅全腦的三維成像，解析度高達約10奈米，接近電子顯微鏡水準；同時仍保有多色螢光標記等光學成像優勢。研究登上《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

傳統光學顯微鏡因「繞射極限」所限，解析度僅能到200奈米，間距低於200奈米以下在顯微鏡中會糊在一起看不清楚。而電子顯微鏡雖能達到更高解析度，但因在真空環境下操作，樣品會脫水乾燥，而無法觀察活體樣品及保留螢光標記，觀察從彩色變黑白。

雖然2014年三位科學家因開發能突破繞射極限的「超解析螢光顯微技術」而榮獲諾貝爾化學獎，也帶動許多發展，但目前技術仍侷限於極少細胞或薄層樣品，對於大型組織的三維立體超高解析影像仍是一大挑戰。

奈米樣品體積放大6.4萬倍、貝索層光顯微鏡實現3維成像

因此在國科會優秀年輕學者研究計畫的支持下，陳壁彰研究團隊想到「先把樣品放大再進行觀察」，研究團隊使用「聚丙烯酸鉀(KA)」的高吸水性聚合物來製作凝膠，之後將生物樣品固定於凝膠中，如同尿布內常見的高吸水性材料，加水後能大量吸水並均勻膨脹，使樣品放大約40倍，整體體積增加達64,000倍。原本小到難以分辨的奈米結構就被「膨脹放大」，變成在光學顯微鏡下也能清楚辨識。

舉例來說，果蠅腦的原始大小僅約0.5毫米，經過這樣的膨脹處理後可放大至1~2公分，使得觀察整個神經網絡變得可能。

樣品放大之後，團隊再搭配「貝索層光顯微鏡」來進行成像，這技術使用特殊的「貝索光束」，能產生極薄且均勻的光片，讓科學家能深入厚重的生物組織進行快速且極低光漂白性的三維成像掃描。

結合這兩項技術後，科學家不僅可看清楚整個果蠅腦的結構，還能辨識出神經細胞之間極微小的突觸，更可看到腦中作為資訊傳遞的「電纜」的突觸支架蛋白與作為「開關插座」般調節資訊傳遞的突觸囊泡，它們負責大腦中訊息的交換，對理解記憶、學習與神經疾病的機制具有關鍵意義。

KA-ExM技術同時具備高解析能力，更能涵蓋大尺度影像及超高空間解析範圍，兼具「大尺度」與「奈米細節」的技術能力可拍出超高解析度的「大腦結構地圖」，既能清楚顯示神經迴路的整體結構，也能追蹤局部突觸因學習、受損或疾病產生的細微變化。

未來這項技術不僅限適用於果蠅腦，亦具潛力拓展至其他生物樣品，如小鼠腦或人類組織等，深入解析神經迴路與疾病結構變化，其高解析與三維成像能力，科學家能夠以前所未有的細節及立體觀察生物結構，推動基礎與應用科學的持續突破。


最左為經透明化處理的鼠腦影像(灰色)，右側為原始果蠅腦(橘色)。(圖/中研院應用科學研究中心陳壁彰研究員提供)
研究團隊利用高吸水性水膠，將果蠅腦階段式膨脹至與鼠腦相當大小，並以層光顯微鏡進行三維成像。圖中垂直顯微鏡頭分別負責光束照明與螢光訊號收集。左上為標記果蠅視覺神經元(Tm5a)的細胞結構，膨脹後清楚呈現其三維排列與細節。透過創新技術，原本極細微的神經結構得以在大範圍、彩色且立體地被清楚呈現。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55305-8

(報導/李林璦)