台灣團隊開發新光學成像技術，讓腦組織「放大」六萬四千倍
光學成像技術能讓我們以更直觀方式觀察大腦運作，理解大腦思考、記憶、情感等背後神經機制。最近，中研院應用科學研究中心陳壁彰研究員團隊成功開發「放大腦組織」的超高解析度光學成像技術，能讓科學家以前所未有細節觀察生物結構。
傳統光學顯微鏡受「繞射極限」限制，解析度僅能到 200 奈米，間距低於 200 奈米以下的樣品於顯微鏡會糊在一起。電子顯微鏡雖能達到更高解析度，但因在真空環境操作，樣品會脫水乾燥，因此無法觀察活體樣品及保留螢光標記，觀察過程從彩色變黑白。
於是科學家後來又開發能突破繞射極限的「超解析螢光顯微技術」，但目前技術仍侷限於極少細胞或薄層樣品，大型組織的三維立體超解析影像仍是一大挑戰。
為解決上述問題，陳壁彰團隊想到一個聰明方法：先把樣品放大再進行觀察，透過巧妙結合「樣品空間放大」與「貝索層光顯微鏡」方法，成功開發出新的超高解析度光學成像技術「聚丙烯酸鉀膨脹層光奈米顯微術（KA-ExM）」，兼具「大尺度」與「奈米細節」技術能力，既能清楚顯示神經迴路整體結構，也能追蹤局部突觸因學習、受損或疾病產生的細微變化。
放大樣品空間
團隊先使用聚丙烯酸鉀（KA）高吸水性聚合物製作凝膠，再將生物樣品固定於凝膠中，加水後大量吸水均勻膨脹而使樣品放大約 40 倍，整體體積增加達 64,000 倍，原本小到難以分辨的奈米結構因此「膨脹放大」，光學顯微鏡下也能清楚辨識。
樣品放大後，再搭配使用特殊「貝索光束」的貝索層光顯微鏡進行成像，能產生極薄且均勻光片，讓科學家深入厚重生物組織進行快速且極低光漂白性的三維成像掃描。
結合這兩項技術後，團隊成功以光學顯微鏡進行果蠅全腦三維成像，解析度高達 10 奈米，接近電子顯微鏡水準，但同時保有多色螢光標記等光學成像優勢。
舉例來說，果蠅腦原始大小僅 0.5 毫米，經膨脹處理後可放大至 1～2 公分，科學家不僅可看清楚整個果蠅腦結構，還能辨識神經細胞之間極微小的突觸，看到腦中作為資訊傳遞的「電纜」突觸支架蛋白，以及作為「開關插座」調節資訊傳遞的突觸囊泡，它們負責大腦訊息交換，對理解記憶、學習與神經疾病機制具關鍵意義。
團隊表示，該技術未來不僅適用於果蠅腦研究，也有機會拓展至其他生物樣品，如小鼠腦、人類組織等，深入解析神經迴路與疾病結構變化。
新論文發表在《自然通訊》（Nature Communications）。
（首圖來源：中研院應用科學研究中心陳壁彰研究員提供）