- 本文轉載自科技大觀園，原文為《直擊果蠅大腦運作！光學顯微技術拍出高速的3D動態影像！》
- 作者 / 劉馨香｜科技大觀園團隊
大腦：人類未竟的疆土
當我望著無邊無際的蔚藍海洋、聽到浪花聲、感受微風的輕拂，喜悅地回想起和好友在此旅行的回憶，並決定拿起手機拍下眼前的美景，我是如何感知世界、如何儲存與提取記憶？我的情感、思想、決策與行為是如何發生的？這些心智行為的奧秘藏在擁有 860 億個神經細胞的大腦，是我之所以為我的關鍵。
究竟大腦如何運作？這些神經細胞是如何透過彼此的連結與交互作用產生進一步的功能？進入 21 世紀以來，美國、歐盟、日本、中國等紛紛成立大型且長期的腦科學研究計畫，企圖揭開大腦的奧秘。
我國科技部也推出「台灣腦科技發展及國際躍升計畫」，整合既有研究能量與專業人才，期望建構模式動物至部分人腦的腦神經網路結構及功能圖譜，並帶動腦部疾病的精準醫療。
光學顯微鏡：小動物腦研究的利器
想要全面分析大腦的結構與訊號，解開單一或一群神經細胞的連結情形，精良的觀測工具是其根本，因此臺大物理系教授朱士維致力研發先進的光學顯微鏡技術。
朱士維表示，常用於醫療的影像技術，像是正子造影（PET）、磁振造影（MRI）、超音波等，雖然可以穿透很深的物體，但是解析度不夠高，無法看到單一細胞；而解析度極高的電子顯微鏡穿透深度卻很小，只能看到表層。光學顯微鏡恰好介在中間，適合用於研究小動物的腦。近期，朱士維的跨領域團隊發表了數個嶄新的顯微技術，分別在解析神經訊號和結構有了重大突破。
飆速3D攝影，解析神經的功能性連結
首先，研究團隊發表了「高速體積成像系統」，是全球第一次可在活體果蠅腦中以毫秒解析度取得神經結構 3D 高速動態影像！
「高速體積成像系統」是由雙光子顯微鏡與「可調變的聲波漸層透鏡」（TAG）結合構成。拍攝二維的動態影像並不稀奇，厲害的是，研究團隊如何把二維變成三維？關鍵就在於「可調變的聲波漸層透鏡」。由於液體透鏡的密度，會決定光的折射率，進而影響焦距的長短，研究團隊透過壓電材料激發液體透鏡共振，當透鏡的密度不斷變化，焦點也會快速移動，其振盪頻率可高達 100 kHz – 1 MHz，也就是說，在 10 萬分之一秒以內即可完成焦點的來回移動。
一般雙光子顯微鏡每拍攝一次只能拍到水平面（xy 軸）的像素並組成二維影像，若加上「可調變的聲波漸層透鏡」組成「高速體積成像系統」，即可同時進行深度（z 軸）的來回掃描，在同樣的時間內拍攝出一個包含各個深度的體積三維影像。
這項強大的技術對於研究神經與神經之間的功能性連結非常有用，譬如說，想了解果蠅如何處理嗅覺訊號，我們可以給果蠅聞一種特殊氣體，以「高速體積成像系統」綜觀其腦，即可找出此特殊的嗅覺刺激會引發哪些下游神經反應。接著，選擇想深入研究的神經，將拍攝範圍鎖定在該神經所在的區域，便可以毫秒時間解析度與微米空間解析度，追蹤訊號在這些神經細胞之間的傳遞順序。
朱士維表示，「高速體積成像系統」的突破之處，在於可以於腦中劃定任意形狀的空間，並以毫秒等級的時間解析度，看見目標神經中各個神經細胞的電生理動態行為。
研究團隊更進一步發展光學神經激發系統，用光精準地刺激個別神經，再透過「高速體積成像系統」，輔以自動化影像分析，精準定位有反應之神經區域，做到「全光學生理」觀察（all-optical physiology）。目前已成功解析果蠅的視覺神經迴路中，上下游的神經連結與編碼模式。
「高速體積成像系統」以高速動態影像研究神經細胞功能上的連結，為建立果蠅的「功能性全腦連結體（connectome）」提供強而有力的工具。
探入果蠅腦深處，描繪超高解析度的 3D 結構
此外，在結構解析方面，顯微鏡光是能看到神經細胞還遠遠不足。神經細胞有樹突、軸突等向外延伸的纖維，有些纖維寬度只有 100 奈米，當兩條神經纖維緊鄰彼此，需要小於 100 奈米的解析度才能將它們區分開來。而且，神經纖維常常延伸至很遠的地方與其他神經細胞連結，因此顯微鏡的穿透深度，還須深至腦的最底層。
朱士維團隊發表了「深組織超解析光學技術」（Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing, COOL），在果蠅全腦中達成 20 奈米的超高空間解析度，剖析腦中神經的細微結構，能分辨出相鄰或彼此纏繞的神經纖維，藉以判斷神經連結的路徑。
「深組織超解析光學技術」結合了四個關鍵技術，包含「螢光蛋白標定」、「共軛焦掃描顯微鏡」、「光學組織澄清技術」以及「定位顯微技術」。
「定位顯微技術」是 2014 年諾貝爾化學獎的得獎項目，透過操縱螢光分子輪流放光，再分別計算螢光分子的中心位置，打破光學顯微鏡的解析度極限，大幅提高解析度至接近 20 奈米。「光學組織澄清技術」則是江安世院士發明的 FocusClearTM 試劑，因其獨特的化學配方，讓生物組織各部位的折射率一致，呈現透明狀態。
朱士維團隊找出可適用於腦組織的螢光分子並改善其放光能力，成功將定位顯微技術應用在果蠅腦，並且透過光學組織澄清技術讓腦組織透明化，減少組織的散射與像差，提高穿透深度，以及利用共軛焦掃描顯微鏡一層一層地掃描不同深度的影像。最終，組合成三維的超高解析影像。
這項技術最厲害之處在於可穿透厚度約 200 微米的果蠅腦，在果蠅全腦皆達成 20 奈米的解析度，可應用在建立果蠅全腦的神經連結網路。
跨領域團隊 開創顯微技術新紀元
這些研究成果仰賴跨領域的團隊，除了朱士維，還有清華大學腦科學研究中心主任、中央研究院院士江安世、中研院物理所副研究員林耿慧、清大工程與系統科學系副教授吳順吉、清大生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安、捷絡生技公司執行長林彥穎等人，共同參與研究。
諾貝爾生醫獎得主 Sydney Brenner 曾說：「科學的進展往往是始自新的技術」，腦科學作為 21 世紀科學界的兵家必爭之地，顯微技術的研發重要性不言可喻。朱士維團隊在動態的神經訊號與靜態的神經結構，皆發展出相應的顯微技術，可說是為腦科學領域開拓出令人期待的嶄新未來。
參考資料
- K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, Y.-Y. Lin, K. Su, K.-L. Feng, S.-C. Wu, Y.-C. Lin, A.-S. Chiang, S.-W. Chu*, “Millisecond two-photon optical ribbon imaging for small-animal functional connectome study”, Opt. Lett. 44, 3190-3193 (2019).
- C. Huang, C.-Y. Tai, K.-P. Yang, W.-K. Chang, K.-J. Hsu, C.-C. Hsiao, S.-C. Wu, Y.-Y. Lin*, A.-S. Chiang*, and S.-W. Chu*, “All-optical volumetric physiology for connectomics in dense neuronal structures”, iScience22, 133-146 (2019)
- H.-Y. Lin, L.-A. Chu, H. Yang, K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, K.-H. Lin, S.-W. Chu*, A.-S. Chiang, “Imaging through the whole brain of Drosophila at λ/20 super-resolution”, iScience14, 164-170 (2019).
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