來源于《自然》/編輯配圖

科學家們利用嬰兒尿不濕裡的吸水材料讓大腦組織膨脹，使普通顯微鏡達到了60nm的分辨率。

顯微鏡能為我們放大活細胞和組織的影像，要是我們真的能将它們放大會怎麼樣呢？這聽起來像是《愛麗絲漫遊仙境》那樣的童話故事，但實際上科學家們已經開發出了這樣的技術。這種放大技術可以在常規顯微鏡下成像整個大腦，揭示超越光學極限的分子細節。

上個月，麻省理工的Edward Boyden在一次會議上展示了自己和Fei Chen、Paul Tillberg開發的膨脹顯微技術（expansion microscopy，生物通譯）。

異曲同工的技術

膨脹顯微技術與超高分辨率顯微技術有異曲同工之妙，都能超越顯微成像的衍射極限。去年，美國和德國的三位科學家因為超高分辨率顯微技術獲得了諾貝爾化學獎。

幾個世紀以來，光學顯微鏡的“衍射極限”一直被認為是無法超越的。近年來，科學家們從不同途徑“突破”了這一極限，使人們能夠分辨相距少于200nm的兩個物體。目前的超高分辨率顯微技術能夠分辨相距約20nm的物體。不過這一技術需要昂貴的專業儀器，而且在厚樣本中效果并不那麼理想。

神經學科學家都希望在一群神經元甚至整個大腦中，确定神經突觸上的蛋白定位。“我們嘗試将一切放大，”Boyden在美國NIH的一次會議上說。為此，他的研究團隊使用了丙烯酸鹽（acrylate），丙烯酸鹽是嬰兒尿不濕中主要的鎖水成分。這一物質有兩個特别的性能，一是形成可以固定蛋白的網，二是遇水膨脹。Boyden的組織在膨脹之後，向各方向增大了約4.5倍。

隻需要加水

科學家們先将組織透明化，加入能将特定蛋白錨定在丙烯酸鹽上的熒光分子，然後把丙烯酸鹽注入組織。丙烯酸鹽遇水膨脹之後，熒光标記分子彼此被拉遠，之前用可見光顯微鏡難以分辨的蛋白也變得清晰。Boyden展示，這個技術可以分辨膨脹前相距60nm的分子。

值得注意的是，這一技術能夠很大程度上保留蛋白的相對定向和連接，保持其它細胞結構的完整。據估算，蛋白相對位置隻被扭曲了1-4%。

膨脹顯微技術能夠很好的與其它超高分辨率技術結合，Boyden介紹道。研究人員用這一技術膨脹了小鼠的大腦組織，在神經突觸的相對末端測量了兩個蛋白的距離。他們的測量結果幾乎和超高分辨率技術得出的結果一樣。

不過，膨脹顯微技術在複雜組織中進行三維成像的效果可能更好，Boyden說。他在會議上展示了0.5mm小鼠大腦海馬體的圖像，揭示了相鄰神經元之間的連接。放大這張圖甚至可以看到微小的突觸結構，釋放神經遞質的bouton結構。Boyden的團隊用膨脹顯微技術研究了果蠅和斑馬魚的大腦，其合作團隊還将這一技術用于人類大腦。

不斷突破極限

這是科學家們通過處理生物學組織突破硬件極限的又一範例，加州理工的神經學科學家Viviana Gradinaru說。2013年，Gradinaru與光遺傳學之父Karl Deisseroth開發了一個清除脂肪和其它分子的透明化方法。該方法可以使完整的大腦組織變透明，允許光學顯微鏡成像厚切片。去年，Gradinaru團隊将這一技術成功用于完整器官和整隻小鼠。（相關報道：Cell新突破：全身透明的小鼠）

去年諾貝爾化學獎得主之一，馬普生物物理化學所的Stefan Hell認為，膨脹顯微技術很有意思值得進一步開發。德國Rostock大學的科學家們在上世紀九十年代曾提出過類似的想法，“看來Boyden他們找到了真正起作用的方法，”Hell說。

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