一束光揭示大脑神经通路的微小细节

许多疾病会破坏人体精密的网络结构。在大脑中，几乎所有神经系统疾病都会出现纤维连接损伤，进而导致神经通讯发生变化。尽管这些微观结构起着至关重要的作用，但长期以来它们一直难以研究。研究人员难以确定组织内纤维的走向，这使得全面了解它们在健康与疾病状态下的变化十分困难。

揭示隐藏微观结构的简便方法

由神经影像学讲师马里奥·乔治亚迪斯博士领导的研究团队，如今推出了一种方法，能够以极高的清晰度且相对较低的成本，让这些难以观察的纤维模式变得可见。

他们的这项技术名为计算散射光成像（ComSLI），相关研究成果发表在《自然·通讯》杂志上。该技术能够在几乎任何组织切片上，以微米级分辨率揭示组织纤维的走向和排列，无论切片是如何染色或保存的——即便是数十年前的旧切片也适用。

放射学教授迈克尔·泽内博士与前泽内实验室访问学者米里亚姆·门泽尔博士共同担任资深作者。

“关于组织结构的信息一直都存在，只是隐藏在我们眼前，”乔治亚迪斯说，“ComSLI只是为我们提供了一种看到这些信息并将其绘制出来的方法。”

ComSLI如何绘制纤维走向图谱

传统成像策略存在明显局限性。MRI可以显示大型解剖网络，但无法捕捉微小的细胞结构。组织学技术通常需要特殊染色、高端设备和精心保存的样本，且仍难以清晰描绘纤维交叉情况。

ComSLI基于一个基本物理原理：当光线遇到微观结构时，会根据其走向向不同方向散射。通过旋转光源并记录散射信号的变化，研究人员可以重建图像每个像素内纤维的走向。

该方法只需一个旋转LED光源和一个显微镜相机，与其他形式的高级显微镜相比，其设备设置更容易获取。收集图像后，软件分析散射光中的细微模式，生成纤维走向和密度的彩色编码图谱，即基于微观结构的纤维走向分布图谱。

ComSLI不受样本制备方法的限制。它适用于福尔马林固定、石蜡包埋切片（医院和病理实验室的标准样本）以及新鲜冷冻、染色或未染色的切片。

科学家还可以重新研究最初为其他项目制备的切片，即使是储存了数十年的切片，无需改变样本就能获得新的结构见解。

“这是任何实验室都能使用的工具，”泽内说，“你不需要专门的制备或昂贵的设备。最让我兴奋的是，这种方法为从小型研究实验室到病理实验室的任何人打开了大门，让他们能从已有的切片中发现新见解。”

绘制神经微观结构与疾病图谱

神经科学的一个主要目标是以高精度绘制大脑的微观通路。利用ComSLI，乔治亚迪斯及其同事观察了完整的福尔马林固定、石蜡包埋人类大脑切片和标准尺寸切片，揭示了整个组织中详细的纤维结构。

他们还研究了这些纤维在多发性硬化症、脑白质病和阿尔茨海默病等神经系统疾病中的变化。

研究重点之一是海马体，这是一个对记忆形成和提取至关重要的深部脑区，且在神经退行性疾病早期常受影响。将阿尔茨海默病患者的海马体切片与健康样本对比时，研究团队观察到明显的结构退化。正常情况下帮助连接海马体各区域的纤维交叉显著减少，负责将记忆相关信号传入该区域的主要通路（穿通通路）几乎不可见。相比之下，健康的海马体在整个区域显示出密集且相互连接的纤维网络。借助这些详细图谱，研究人员可以看到记忆回路如何随着疾病进展而断裂。

为测试该方法的极限，研究人员分析了1904年制备的脑切片。即使在这个百年样本中，ComSLI也识别出了复杂的纤维模式，使科学家能够研究历史标本，并探索结构特征如何在疾病的不同世代中演变。

大脑之外的应用

尽管ComSLI最初是为大脑研究设计的，但它在其他组织中也表现良好。研究团队用它研究了肌肉、骨骼和血管样本，每种样本都揭示了与其生物学功能相关的独特纤维排列。

在舌肌中，该方法突出显示了与运动和灵活性相关的分层纤维走向。在骨骼中，它捕捉到了与机械应力对齐的胶原纤维。在动脉中，它显示了交替排列的胶原和弹性蛋白层，这些层既支持强度又支持弹性。

这种跨物种、跨器官和跨存档标本绘制纤维走向的能力，可能会显著改变科学家研究结构与功能的方式。这也意味着全球数百万储存的切片可能包含未开发的微观结构信息。

“尽管我们刚刚介绍了这种方法，但已经有多个请求要求扫描样本和复制ComSLI设备设置——许多实验室和诊所希望在他们的组织切片上获得微米级分辨率的纤维走向和微观连接信息，”乔治亚迪斯说，“另一个令人兴奋的计划是回到特征明确的脑档案或名人的脑切片，恢复这种微观连接信息，揭示被认为早已丢失的‘秘密’。这就是ComSLI的魅力所在。”