撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

神經(jīng)系統(tǒng)由中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）和外周神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）組成，是一個遍布全身的復雜神經(jīng)元相互連接的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)著復雜的生理和心理活動。對這一復雜系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)進行可視化和繪圖對于了解其功能及相關(guān)疾病的機制至關(guān)重要。

在過去十年里，由于 3D 光學顯微鏡技術(shù)的進步，中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）全腦亞細胞分辨率的中尺度連接組學圖譜繪制取得了重大進展。然而，對于周圍神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）進行類似的分析仍然頗具挑戰(zhàn)性。

與相對緊湊且同質(zhì)化的大腦不同，哺乳動物的身體則要大得多，而且高度異質(zhì)化，包含不規(guī)則的結(jié)構(gòu)和多種組織類型。因此，即便采用當前最先進的成像技術(shù)，要在全身范圍內(nèi)清晰分辨周圍神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）那些漫長、復雜且常常相互交織的神經(jīng)路徑，仍然極其困難。因此，目前對周圍神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）的架構(gòu)理解在很大程度上仍基于粗略的解剖學觀察，這些觀察僅提供了其路徑、分支和連接模式的總體但不精確的概覽。

2025 年 7 月 10 日，中國科學技術(shù)大學畢國強教授、徐程特任副研究員、劉北明教授和祝清源高級工程師作為共同通訊作者，在國際頂尖學術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：High-speed mapping of whole-mouse peripheral nerves at subcellular resolution 的研究論文。

該研究首創(chuàng)了一套超高速小鼠全身亞細胞分辨率三維成像技術(shù)——blockface-VISoR，成功實現(xiàn)了對全身神經(jīng)系統(tǒng)的高分辨率三維重建，并繪制了前所未有的精細外周神經(jīng)圖譜，將連接組學成功拓展至大腦之外，為解析周圍神經(jīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及疾病機理研究提供了全新工具。

值得一提的是，國際頂尖學術(shù)期刊Nature在其官網(wǎng)頭條報道了這項研究，指出這項研究詳盡展示了小鼠的全身神經(jīng)，讓我們看到了令人驚嘆的高分辨率圖像。

目前，研究人員已在哺乳動物大腦的中尺度連接組（即大腦中神經(jīng)細胞之間連接網(wǎng)絡(luò)）圖譜中取得了快速進展，而與之形成鮮明對比的是，由于整個身體的大小和復雜性，周圍神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）的類似圖譜的繪制，一直頗具挑戰(zhàn)性。

為了克服上述挑戰(zhàn)，在這項最新研究中，來自中國科學技術(shù)大學的研究團隊創(chuàng)新性地開發(fā)了一種超高速小鼠全身亞細胞分辨率三維成像技術(shù)——blockface-VISoR，該技術(shù)僅用 40 小時就完成了成年小鼠的全身成像，效率較現(xiàn)有技術(shù)提升數(shù)倍乃至數(shù)十倍，將分辨率從傳統(tǒng)光片顯微成像的組織細胞級提升至均一亞細胞級（微米級），從而能夠以微米級分辨率繪制出從小鼠大腦和脊髓延伸至其身體其他部位的神經(jīng)圖譜，揭示諸如從關(guān)鍵神經(jīng)延伸至遠端器官的單根神經(jīng)纖維等細節(jié)。

為了給小鼠的身體做掃描準備，研究團隊用化學物質(zhì)處理小鼠以去除脂肪、鈣質(zhì)和其他阻礙光線的成分，使其組織變得透明。這樣就能清晰地看到用熒光標記蛋白標記的神經(jīng)。然后將“透明化”的小鼠身體放入一種整合了精密振動切片裝置與“同步飛掃”三維顯微成像系統(tǒng)中。

活塞逐漸將小鼠推向切片刀，每次推進 400 微米。每次切片后，顯微鏡都會對新暴露的表面進行成像，捕捉到表面以下約 600 微米深處（大約相當于六張紙的厚度）的細節(jié)。然后再推動小鼠身體進行下一次切片。這個循環(huán)會不間斷地重復約 200 次，以覆蓋小鼠的整個身體，最后將這些圖像組合起來。

總的來說，該技術(shù)包括三個關(guān)鍵部分：

1）一種用于全身均勻透明化和多功能標記的高效程序；

2）一種用于連續(xù)切片并以超高速對切面進行三維成像的切面-VISoR 系統(tǒng)；

3）一種從連續(xù) 3D 圖像集自動重建體積的算法和軟件。

該研究的領(lǐng)導者、論文共同通訊作者畢國強教授表示，這種新技術(shù)要比其他技術(shù)快得多，其他技術(shù)需要頻繁暫停。一個速度較慢的成像系統(tǒng)可能需要數(shù)月甚至數(shù)年時間，這會增加機械故障、信號丟失或樣本降解的可能性。

研究團隊在 16 只成年小鼠身上重復了這一過程，使用了三種不同的標記技術(shù)（熒光標記、免疫標記、病毒標記）來標記不同的神經(jīng)，成功地以微米級分辨率對成年小鼠進行了成像，從而揭示了周圍神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）的復雜結(jié)構(gòu)，包括脊髓軀體運動和感覺神經(jīng)、內(nèi)臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)，以及它們與全身各種非神經(jīng)組織和器官的相互作用。

其中一些小鼠經(jīng)過基因工程改造，它們的部分神經(jīng)元能夠產(chǎn)生熒光蛋白。這使得研究團隊能夠觀察到小鼠頭部神經(jīng)的結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

一只經(jīng)基因工程改造的小鼠（左）的重建圖像中，其神經(jīng)元產(chǎn)生熒光標記，神經(jīng)呈現(xiàn)藍色。在另一只小鼠（右）中，抗體詳細顯示了交感神經(jīng)（紫色）

高分辨率成像技術(shù)顯示了小鼠頭部的顱神經(jīng)（藍色）和血管（紅色）

在其他小鼠身上，研究團隊采用了免疫標記法，即標記抗體附著在神經(jīng)細胞中的特定蛋白質(zhì)上，在這種情況下，目標是交感神經(jīng)，這種神經(jīng)有助于控制人體的自主功能。

對神經(jīng)細胞中蛋白質(zhì)進行抗體免疫標記，可以看到交感神經(jīng)（綠色）從腎臟的外層分支穿過

最后，研究團隊利用腺相關(guān)病毒（AAV）對迷走神經(jīng)中單個軸突（神經(jīng)細胞的長分支）的全長進行了標記，迷走神經(jīng)從大腦延伸至胸部和腸道器官，其中一個突出的發(fā)現(xiàn)是，迷走神經(jīng)纖維通常沿著一條直接且不分叉的路徑到達其目標器官，這一點此前尚未得到明確證實。

利用病毒標記法繪制了小鼠胃部和小腸內(nèi)左、右迷走神經(jīng)（白色）及其分支的分布圖

最后，畢國強教授表示，該研究獲得的部分圖像數(shù)據(jù)集已在網(wǎng)上共享，研究團隊正在努力搭建一個平臺，方便研究人員瀏覽和探索這些數(shù)據(jù)。這項研究中的數(shù)據(jù)中有很多特征，即便是專業(yè)解剖學家也會覺得新穎。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00673-7