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Thermo Scientific™ Helios™ 5 CX DualBeam 聚焦离子束扫描电子显微镜(双束显微镜)
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死亡后脑组织的 3D 成像,解密认知功能的纳米级奥秘

362 人阅读发布时间:2025-08-14 19:25

人类大脑中数十亿神经元的交流,是思想、情感和行为的基础,而突触正是这种交流的关键结构。借助电子显微镜,这些三维突触的细胞和分子层面特征能够被直接可视化,使科学家能够在纳米尺度上探索大脑。这为我们提供了前...有的视角,去观察定义神经元功能的结构和连接,有助于我们理解那些改变这些网络的疾病。

在最近的一项发表成果中,由匹兹堡大学的Jill Glausier博士和Zachary Freyberg博士领导的研究,探究了死后人类组织的超微结构是否能揭示生命期间存在的功能动态信息。

我们将三维聚焦离子束扫描电子显微镜成像技术应用于脑组织,深入了解了促进神经元与局部支持细胞之间交流的连接的纳米结构。而且,在这样的分辨率下,我们还能够生成构成这些连接的分子的空间分布图。Zachary Freyberg博士 匹兹堡大学

聚焦离子束扫描电子显微镜生成

前额叶皮层的三维图像

该研究聚焦于人类背外侧前额叶皮层(DLPFC),这一区域与一些最复杂的认知过程相关,包括推理、记忆和决策。它也是受精神分裂症等疾病严重影响的区域。研究人员使用赛默飞世尔科技的 Helios 5CX (一种聚焦离子束扫描电子显微镜,即 FIB-SEM),从人类大脑标本中生成了高分辨率的三维数据集。这种采集方法是生成体电子显微镜(Volume EM)数据的方式之一,能够提供生物标本详细的超微结构三维信息。在这项研究中,体电子显微镜使对背外侧前额叶皮层中的结构和连接的详细探索成为可能。

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Courtesy of Jill Glausier and Zachery Freyberg, University of Pittsburgh

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Courtesy of Jill Glausier and Zachery Freyberg, University of Pittsburgh

通过 Helios 5CX 双束显微镜捕获的死后人类脑组织的三维体积数据。对聚焦离子束扫描电子显微镜图像的评估显示,组织的超微结构保存完好。使用赛默飞世尔科技的 Amira 软件对髓鞘(蓝色)、线粒体(红色)和细胞核(青绿色)进行分割,并进行二维可视化(顶部),对于髓鞘还进行了三维可视化(底部)。图片由匹兹堡大学的吉尔・格劳西耶博士和扎卡里・弗雷伯格博士提供。

这种方法能够在纳米分辨率下可视化突触复合体、线粒体和亚突触结构。达到这样的观察结果,其组织保存水平至关重要,因为它验证了死亡后实验数据用于推断功能关系的可靠性。

该团队对 50 个谷氨酸能轴突 - 棘突突触进行了三维重建,这在传统显微镜下是难以实现的。这些重建揭示了突触前和突触后结构之间保存的关系,包括突触前终扣体积与突触后密度大小之间的相关性,而这些是突触强度和活性的关键指标。这与已知的活体内突触功能模型一致,并强调了死亡后人体组织细胞组织观察在支持认知和认知障碍研究方面的潜力。

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Courtesy of Jill Glausier and Zachery Freyberg, University of Pittsburgh

通过 Helios 5CX捕获的数据的三维重建。利用 Amira 软件识别并分割出一个复杂的树突干,其具有穿过树突细胞质的丝状伪足样结构。

三维成像中的脑组织分割

三维数据中的一项重要发现是一个具有大量的线粒体和突触连接的复杂的树突干。这表明它可能作为突触交流和可塑性增强的枢纽。这一发现不仅具有创新性,还为探索特定神经元特征如何促成高阶功能或在精神和神经疾病中的脆弱性开辟了新的研究途径。

在不久的将来,我们的一个主要目标是将我们在本文中建立的体电子显微镜技术与分子方法(如转录组学或蛋白质组学)相结合,以进一步增强显微镜数据的解释能力。Jill Glausier博士 匹兹堡大学

 

研究人员介绍

Jill Glausier 博士

Jill Glausier 博士的研究重点是精神分裂症中的皮层和认知功能障碍。她的工作利用死亡后人类脑组织,借助分子和成像技术(包括聚焦离子束扫描电子显微镜)来揭示认知缺陷背后的突触改变。她的发现,如小白蛋白篮状细胞突触和线粒体动态在背外侧前额叶皮层中的作用,为新的治疗靶点奠定了基础。

Zachary Freyberg博士

Zachary Freyberg 博士的跨学科研究架起了细胞生物学和精神病学之间的桥梁。他的实验室研究多巴胺在神经退行性变和代谢中的作用。通过与Glausier博士合作,他运用先进的成像方法(包括冷冻电子断层扫描和聚焦离子束扫描电子显微镜)来研究突触纳米结构。他发现的核糖体相关囊泡有助于阐明蛋白质合成、神经元可塑性和认知功能之间的相互作用。

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