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奈米尺度的全人腦光學影像

科學家觀察生物的最終目標是要研究人體最複雜的器官:腦。

陳壁彰/中央研究院應用科學研究中心副研究員、美國德州大學奧斯丁分校博士,研究領域是晶格層光顯微術。他閒暇時喜愛打羽球。

在過去20年,科學上的一項重大突破是,利用受激放射淬滅法或單分子定位法把光學顯微鏡變成奈米顯微鏡,而這也是2014年諾貝爾化學獎的研究貢獻──突破繞射極限。對「眼見為憑」的生物科學來說,如何把有三維及螢光標定等特色的光學顯微鏡轉變成具有像電子顯微鏡般的空間解析度,是一項長久期盼的目標。隨著更多影像技術的進步,例如層光顯微鏡的開發,科學家對生物的觀察逐步從細胞、線蟲、果蠅,擴大到老鼠,樣本是越來越大,但最終目的都是要回到研究人體,尤其是最複雜的器官:腦。

如何對染色標定的全腦進行成像,並看到次細胞等級的解析度(微米),成為非常重要且困難的課題。人腦大小約是16×20×14公分,如果不做切片,以現有技術不可能直接取得高解析度光學影像。藉由樣本的光學透化技術,組織的「三維透畫」變成可行。但長工作距離及高數值孔徑的鏡頭及大型相機感測面的開發技術,趕不上研究生物樣本進展的速度,使得高解析度的大影像還是需要切片及影像的拼接。此外,樣本膨脹術利用吸水膠把組織或器官做等方向性的4倍甚至40倍放大,利用物理特性來擴大觀測分子的距離,使得原本受限於光學繞射極限的顯微鏡(約200奈米),變成具有超解析度(約5奈米)。如果能把樣本放大到更高倍,並利用有機合成的多功能吸水膠,或開發有機發光團和無機金屬染色標定,就能針對單分子成像在三維結構生物學上增加了更多可能性。

或許在不久的將來,在公分厚度等級的三維光學影像便可達到電子顯微鏡般的空間解析度。在未來20年,奈米尺度的全人腦光學影像再也不是夢想。

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