在國際科學與技術協會（ISTA）的共同努力下，我們獲得了前所未有的大腦復雜性”實時”視圖。人腦擁有由大約860 億個神經元組成的複雜網絡，可以說是科學家們遇到過的最複雜的標本之一。它蘊藏著巨大的、但目前還無法估量的信息財富，堪稱計算設備的巔峰之作。

要掌握這種複雜程度的信息極具挑戰性，因此我們必須採用先進的技術，在微觀層面上解碼大腦內部發生的微小而復雜的相互作用。因此，成像技術成為神經科學領域的關鍵工具。

約翰-丹澤爾（Johann Danzl）在國際科學與技術協會（ISTA）的研究小組開發的新型成像和虛擬重建技術是大腦活動成像技術的一大飛躍，並被恰當地命名為LIONESS – 即實時信息優化納米鏡成像技術（Live Information Optimized Nanoscopy Enabling Saturated Segmentation）。LIONESS 是一個用於成像、重建和分析活體腦組織的管道，其全面性和空間分辨率是迄今為止無法實現的。

a: 複雜的神經元環境b: LIONESS 可以對樣本進行成像和重建，從而闡明活體腦組織中的許多動態結構和功能。資料來源：Johann Danzl

“有了LIONESS，我們第一次有可能對活腦組織進行全面、密集的重建。通過對組織進行多次成像，LIONESS 讓我們能夠觀察和測量大腦中的動態細胞生物學過程，”第一作者Philipp Velicky 說。”輸出結果是細胞排列的三維重建圖像，時間是第四維，因為樣本可以在幾分鐘、幾小時或幾天內成像。”

LIONESS 的優勢在於精良的光學技術和構成其核心的兩級深度學習（一種人工智能方法）：第一級提高圖像質量，第二級識別密集神經元環境中的不同細胞結構。

該管道是丹澤爾小組、比克爾小組、喬納斯小組、諾瓦里諾小組、ISTA科學服務單位以及其他國際合作者的合作成果。”ISTA的約翰-丹茲爾（Johann Danzl）說：”我們的方法是組建一個充滿活力的科學家小組，他們擁有獨特的跨學科綜合專長，共同致力於填補腦組織分析領域的技術空白。

重建活體腦組織的管道。通過優化的激光聚焦採集顯微鏡圖像–圖像處理（DL）–分割（DL）–三維視覺分析。圖片來源：Johann Danzl

跨越障礙

以前可以通過電子顯微鏡重建腦組織。這種方法根據樣本與電子的相互作用對樣本進行成像。儘管電子顯微鏡能捕捉幾納米（百萬分之一毫米）分辨率的圖像，但它要求樣本固定在一種生物狀態，需要對樣本進行物理切片才能獲得三維信息。因此，無法獲得動態信息。

另一種以前已知的技術是光學顯微鏡，它可以通過”光學”而不是物理切片來觀察活體系統和記錄完整的組織體積。然而，由於光波產生圖像的特性，光顯微鏡的分辨率受到嚴重影響。其最佳分辨率為幾百納米，過於粗糙，無法捕捉腦組織中重要的細胞細節。

利用超分辨率光學顯微鏡，科學家們可以打破這一分辨率障礙。這一領域的最新研究成果被稱為”超分辨率陰影成像”（SUSHI，Super-resolution Shadow Imaging），它表明，在細胞周圍的空間中塗抹染料分子，並應用獲得諾貝爾獎的超分辨率技術STED（受激輻射損耗）顯微鏡，就能顯示出所有細胞結構的超分辨率”陰影”，從而將它們在組織中可視化。

LIONESS 可以對樣本進行成像和重建，從而闡明活體腦組織中的許多動態結構和功能。資料來源：朱莉婭-柳奇克（Julia Lyudchik ISTA）

儘管如此，要想通過提高分辨率來對整個體積的腦組織進行成像，從而與腦組織複雜的三維結構相匹配，這一直是不可能的。這是因為在提高分辨率的同時，還需要對樣本進行高負荷的成像光照，這可能會損壞或”損壞”微妙的活體組織。

這就是LIONESS 的優勢所在，根據作者的說法，LIONESS 是在”快速、溫和”的成像條件下開發的，因此能保持樣本的活力。該技術在提供各向同性超分辨率的同時–即在所有三個空間維度上都同樣出色–還能以三維納米級分辨率的細節觀察組織的細胞成分。

在成像步驟中，LIONESS 從樣本中收集的信息越少越好。隨後進行第一個深度學習步驟，在稱為”圖像復原”的過程中填充有關腦組織結構的額外信息。通過這種創新方式，它可以實現約130 納米的分辨率，同時又足夠溫和，可以對活腦組織進行實時成像。這些步驟共同實現了深度學習的第二步，這一次是讓極其複雜的成像數據變得有意義，並以自動化的方式識別神經元結構。

ISTA 科學家約翰-丹茲爾（Johann Danzl）在奧地利科技研究所的實驗室中。圖片來源：Nadine Poncioni | ISTA

定位

Danzl說：”跨學科的方法使我們能夠打破解析力和活體系統光照的相互交織限制，使復雜的三維數據變得有意義，並將組織的細胞結構與分子和功能測量結合起來。”

在虛擬重建方面，Danzl和Velicky與視覺計算專家合作：ISTA的Bickel小組和哈佛大學Hanspeter Pfister領導的小組，他們在自動分割（自動識別組織中的細胞結構的過程）和可視化方面貢獻了自己的專業知識，ISTA的圖像分析科學家Christoph Sommer也提供了進一步的支持。在復雜的標記策略方面，來自愛丁堡、柏林和國際科學與技術機構的神經科學家和化學家也做出了貢獻。

因此，在同一活體神經元迴路中進行功能測量（即讀出細胞結構和生物信號活動）成為可能。這項工作是通過與ISTA 的Jonas 小組合作，對進入細胞的鈣離子通量進行成像並測量細胞電活動來完成的。小組提供了人腦有機體，這種有機體通常被暱稱為迷你大腦，可以模擬人腦的發育過程。作者強調，所有這一切都得益於ISTA 頂尖科學服務部門的專業支持。

大腦的結構和活動是高度動態的；其結構隨著大腦執行和學習新任務而不斷演變。大腦的這一特性通常被稱為”可塑性”。因此，觀察大腦組織結構的變化對於揭開其可塑性背後的秘密至關重要。國際科學與技術協會開發的新工具通過揭示亞細胞結構並捕捉這些結構如何隨時間發生變化，顯示出了解腦組織以及其他潛在器官功能結構的潛力。