新網專題讓腦組織"放大"6萬4千倍! 國科會助攻臺灣團隊突破光學超高解析度光學成像技術極限

讓腦組織"放大"6萬4千倍! 國科會助攻臺灣團隊突破光學超高解析度光學成像技術極限

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〔新網記者麻念台台北特稿〕　在國科會優秀年輕學者研究計畫的支持下，中央研究院應用科學研究中心研究員陳壁彰團隊，突破光學極限，開發「放大腦組織」的超高解析度光學成像技術，讓科學家以前所未有細節觀察生物結構，近期登上國際期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

中央研究院應用科學研究中心研究員陳壁彰說明「放大腦組織」的超高解析度光學成像技術。(歸鴻亭攝影)
　中研院團隊的研究來自於一個聰明的化學策略：「先把樣品放大再進行觀察」。該團隊使用「聚丙烯酸鉀」的高吸水性聚合物來製作凝膠，之後將生物樣品固定於凝膠中，如同尿布內常見的高吸水性材料，加水後能大量吸水並均勻膨脹，使樣品放大約40倍，整體體積增加達64,000倍，因此原本小到難以分辨的奈米結構就被「膨脹放大」，變成在光學顯微鏡下也能清楚辨識。

　陳壁彰說明，2014年3位科學家因開發能突破繞射極限的「超解析螢光顯微技術」而榮獲諾貝爾化學獎，也帶動許多發展，但目前技術仍侷限於極少細胞或薄層樣品，對於大型組織的三維立體超解析影像仍是一大挑戰。

「放大腦組織」的超高解析度光學成像技術，讓科學家以前所未有細節觀察生物結構，近期登上國際期刊《自然通訊》。(歸鴻亭攝影)
　他指出，傳統光學顯微鏡因「繞射極限」所限，解析度僅能到200奈米，間距低於200奈米以下在顯微鏡中會糊在一起看不清楚。而電子顯微鏡雖能達到更高解析度，但因在真空環境下操作，樣品會脫水乾燥，而無法觀察活體樣品及保留螢光標記，觀察從彩色變黑白。

　舉例來說，果蠅腦的原始大小僅約0.5毫米，經過這樣的膨脹處理後可放大至1～2公分，使得觀察整個神經網絡變得可能。

果蠅腦的原始大小僅約0.5毫米，經過這樣的膨脹處理後可放大至1～2公分。(歸鴻亭攝影)
樣品放大之後，團隊再搭配「貝索層光顯微鏡」來進行成像，這技術使用特殊的「貝索光束」，能產生極薄且均勻的光片，讓科學家能深入厚重的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2項技術後，科學家不僅可看清楚整個果蠅腦的結構，還能辨識出神經細胞之間極微小的突觸，更可看到腦中作為資訊傳遞的「電纜」的突觸支架蛋白與作為「開關插座」般調節資訊傳遞的突觸囊泡，它們負責大腦中訊息的交換，對理解記憶、學習與神經疾病的機制具有關鍵意義。

讓腦組織「放大」6萬4千倍！國科會助攻臺灣團隊突破光學極限。(歸鴻亭攝影)
　國科會自然處處長賴明治指出，這種兼具「大尺度」與「奈米細節」的技術能力可拍出超高解析度的「大腦結構地圖」，既能清楚顯示神經迴路的整體結構，也能追蹤局部突觸因學習、受損或疾病產生的細微變化。未來技術不僅限適用於果蠅腦，亦具潛力拓展至其他生物樣品，如小鼠腦或人類組織等，深入解析神經迴路與疾病結構變化，其高解析與三維成像能力，科學家能夠以前所未有的細節及立體觀察生物結構，推動基礎與應用科學的持續突破。