中国科学技术大学最新Cell论文，登上Nature头条，首次实现小鼠全身神经系统微米级高清成像

来源：生物世界 2025-07-12 16:21

该研究首创了一套超高速小鼠全身亚细胞分辨率三维成像技术——blockface-VISoR，成功实现了对全身神经系统的高分辨率三维重建，并绘制了前所未有的精细外周神经图谱，将连接组学成功拓展至大脑之外。

神经系统由系统（CNS）和外周神经系统（PNS）组成，是一个遍布全身的复杂神经元相互连接的网络，协调着复杂的生理和心理活动。对这一复杂系统的解剖结构进行可视化和绘图对于了解其功能及相关疾病的机制至关重要。

在过去十年里，由于 3D 光学显微镜技术的进步，中枢神经系统（CNS）全脑亚细胞分辨率的中尺度连接组学图谱绘制取得了重大进展。然而，对于周围神经系统（PNS）进行类似的分析仍然颇具挑战性。

与相对紧凑且同质化的大脑不同，哺乳动物的身体则要大得多，而且高度异质化，包含不规则的结构和多种组织类型。因此，即便采用当前最先进的成像技术，要在全身范围内清晰分辨周围神经系统（PNS）那些漫长、复杂且常常相互交织的神经路径，仍然极其困难。因此，目前对周围神经系统（PNS）的架构理解在很大程度上仍基于粗略的解剖学观察，这些观察仅提供了其路径、分支和连接模式的总体但不精确的概览。

2025 年 7 月 10 日，中国科学技术大学毕国强教授、徐程特任副研究员、刘北明教授和祝清源高级工程师作为共同通讯作者，在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：High-speed mapping of whole-mouse peripheral nerves at subcellular resolution的研究论文。

该研究首创了一套超高速小鼠全身亚细胞分辨率三维成像技术 blockface-VISoR，成功实现了对全身神经系统的高分辨率三维重建，并绘制了前所未有的精细外周神经图谱，将连接组学成功拓展至大脑之外，为解析周围神经调控网络及疾病机理研究提供了全新工具。

值得一提的是，国际顶尖学术期刊Nature在其官网头条报道了这项研究，指出这项研究详尽展示了小鼠的全身神经，让我们看到了令人惊叹的高分辨率图像。

目前，研究人员已在哺乳动物大脑的中尺度连接组（即大脑中神经细胞之间连接网络）图谱中取得了快速进展，而与之形成鲜明对比的是，由于整个身体的大小和复杂性，周围神经系统（PNS）的类似图谱的绘制，一直颇具挑战性。

为了克服上述挑战，在这项最新研究中，来自中国科学技术大学的研究团队创新性地开发了一种超高速小鼠全身亚细胞分辨率三维成像技术 blockface-VISoR，该技术仅用40小时就完成了成年小鼠的全身成像，效率较现有技术提升数倍乃至数十倍，将分辨率从传统光片显微成像的组织细胞级提升至均一亚细胞级（微米级），从而能够以微米级分辨率绘制出从小鼠大脑和脊髓延伸至其身体其他部位的神经图谱，揭示诸如从关键神经延伸至远端器官的单根神经纤维等细节。

为了给小鼠的身体做扫描准备，研究团队用化学物质处理小鼠以去除脂肪、钙质和其他阻碍光线的成分，使其组织变得透明。这样就能清晰地看到用荧光标记蛋白标记的神经。然后将 透明化 的小鼠身体放入一种整合了精密振动切片装置与 同步飞扫 三维显微成像系统中。

活塞逐渐将小鼠推向切片刀，每次推进 400 微米。每次切片后，显微镜都会对新暴露的表面进行成像，捕捉到表面以下约 600 微米深处（大约相当于六张纸的厚度）的细节。然后再推动小鼠身体进行下一次切片。这个循环会不间断地重复约 200 次，以覆盖小鼠的整个身体，最后将这些图像组合起来。

总的来说，该技术包括三个关键部分：

1）一种用于全身均匀透明化和多功能标记的高效程序；

2）一种用于连续切片并以超高速对切面进行三维成像的切面-VISoR 系统；

3）一种从连续 3D 图像集自动重建体积的算法和软件。

该研究的领导者、论文共同通讯作者毕国强教授表示，这种新技术要比其他技术快得多，其他技术需要频繁暂停。一个速度较慢的成像系统可能需要数月甚至数年时间，这会增加机械故障、信号丢失或样本降解的可能性。

研究团队在 16 只成年小鼠身上重复了这一过程，使用了三种不同的标记技术（荧光标记、标记、病毒标记）来标记不同的神经，成功地以微米级分辨率对成年小鼠进行了成像，从而揭示了周围神经系统（PNS）的复杂结构，包括脊髓躯体运动和感觉神经、内脏交感神经和迷走神经，以及它们与全身各种非神经组织和器官的相互作用。

其中一些小鼠经过基因工程改造，它们的部分神经元能够产生荧光蛋白。这使得研究团队能够观察到小鼠头部神经的结构，如下图所示：

一只经基因工程改造的小鼠（左）的重建图像中，其神经元产生荧光标记，神经呈现蓝色。在另一只小鼠（右）中，抗体详细显示了交感神经（紫色）

高分辨率成像技术显示了小鼠头部的颅神经（蓝色）和（红色）

在其他小鼠身上，研究团队采用了免疫标记法，即标记抗体附着在神经细胞中的特定蛋白质上，在这种情况下，目标是交感神经，这种神经有助于控制人体的自主功能。

对神经细胞中蛋白质进行抗体免疫标记，可以看到交感神经（绿色）从肾脏的外层分支穿过

最后，研究团队利用腺相关病毒（AAV）对迷走神经中单个轴突（神经细胞的长分支）的全长进行了标记，迷走神经从大脑延伸至胸部和肠道器官，其中一个突出的发现是，迷走神经纤维通常沿着一条直接且不分叉的路径到达其目标器官，这一点此前尚未得到明确证实。

利用病毒标记法绘制了小鼠胃部和小肠内左、右迷走神经（白色）及其分支的分布图

最后，毕国强教授表示，该研究获得的部分图像数据集已在网上共享，研究团队正在努力搭建一个平台，方便研究人员浏览和探索这些数据。这项研究中的数据中有很多特征，即便是专业解剖学家也会觉得新颖。

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