Cell：我国科学家开发出全球最快的高清三维成像技术，能够以亚细胞分辨率对小型动物全身进行成像
来源：生物谷原创 2025-07-24 13:13
研究开发出全球最快的高清 3D 成像技术，能以亚细胞分辨率对小型动物全身进行成像，从而高效绘制外周神经系统（PNS）的精细结构，为解析 PNS 的复杂功能机制及相关疾病发病机制提供了革命性工具。
在一项发表于《细胞》（Cell）杂志的新研究中，中国科学技术大学、合肥综合性国家科学中心、中国科学院深圳先进技术研究院等机构的研究团队在大型生物组织三维（3D）成像领域取得重大突破。他们开发出全球最快的高清 3D 成像技术，能以亚细胞分辨率对小型动物全身进行成像，从而高效绘制外周神经系统（PNS）的精细结构，为解析 PNS 的复杂功能机制及相关疾病发病机制提供了革命性工具。
研究背景
外周神经系统（PNS）作为机体的 “生物物联网”，承担着大脑与全身器官的双向通讯功能：既传递运动指令调控呼吸、心跳等关键生理活动，又感知并反馈疼痛、温度等感觉信号，是跨组织器官生理协调的核心枢纽。然而，PNS 的全身连接图谱绘制长期面临技术瓶颈：
传统解剖学研究仅能达到毫米级分辨率，无法捕捉神经纤维的精细分支与投射路径；
现有 3D 光学显微镜虽能实现全脑微米级成像，但哺乳动物身体体积大、结构异质（含不规则器官、多样组织类型），难以在全身尺度解析长而交织的神经通路；
成像速度与分辨率难以平衡 —— 即使结合全身透明化技术，完整绘制 PNS 仍需克服光散射、样本变形等问题。
技术突破
研究团队在原有同步实时扫描与读出体积成像（VISoR）技术基础上，创新开发出 “原位切片 + 3D 铣削成像” 策略，核心包括 ARCHmap 全身透明化流程与 blockface-VISoR 成像系统：
1. ARCHmap：全身均匀透明化与样本制备
该流程以水性方法为核心，兼顾透明化效果与荧光信号保留，具体步骤包括：固定与脱钙、透明化、水凝胶包埋、折射率匹配。整个流程（不含免疫染色）需 24 天，若加入免疫染色则需 40 天，为后续高分辨率成像奠定基础。
2. blockface-VISoR：高速高分辨率全身成像
该系统整合精密振动切片机与光学成像模块，实现 “切片 - 成像” 循环自动化：成像原理、循环与重建等。
外周神经系统的精细结构图谱
通过该技术，研究团队首次在全身尺度解析了 PNS 的复杂架构，包括：
1. 颅神经的精细分支与功能分区
在 Thy1-EGFP 转基因小鼠中，清晰可视化三叉神经（CN V）、面神经（CN VII）等颅神经的单纤维结构：
三叉神经运动支形成密集爪状神经肌肉接头，支配头面部肌肉；
感觉支单独投射至门齿和臼齿的牙周组织，与运动支路径完全分离，揭示感觉 - 运动功能的解剖学隔离。
2. 脊髓神经的投射规律与类型特异性
对胸段脊髓神经的单纤维追踪（最长约 8cm）发现：
腹支：运动纤维与部分感觉纤维沿肋间空间投射至胸腹壁，超半数感觉纤维形成 V 形急转弯；
背支：感觉纤维呈 “之字形” 长距离延伸，运动纤维则短而分支密集，且分支数量随脊髓节段（T2-T10）增加而增多，呈现节段依赖性差异。
3. 交感神经的全身分布模式
通过酪氨酸羟化酶（TH）免疫染色，绘制交感神经的全身体系：
血管伴行特征：在四肢肌肉、骨骼、肾脏、脾脏等器官中，交感神经沿血管形成网状结构，如肾脏交感纤维穿透肾实质后缠绕血管，末端包裹肾小球；
器官特异性例外：胃和肠道的交感神经形成非血管依赖的网状结构，可能与调控平滑肌活动相关。
4. 迷走神经的交叉投射与单纤维路径
通过腺相关病毒（AAV）标记，揭示迷走神经的复杂投射：
颈段的感觉与运动纤维空间分离，远端逐渐混合，胸段接收对侧神经束，形成复杂分布；
喉返神经存在左右交叉纤维，部分左侧纤维跨越至右侧支配喉部肌肉，为神经损伤后的代偿机制提供解剖学依据；
单纤维追踪显示，迷走神经运动神经元呈 “一对一” 器官投射模式，部分纤维存在罕见的 “折返” 路径（如左侧神经元先向头端延伸，再急转弯支配胃背侧）。
小结
综上，该技术突破了 PNS 全身成像的瓶颈，其价值体现在基础研究、临床启示和跨领域应用等方面：为构建外周神经连接组提供工具，揭示神经投射的类型特异性、节段依赖性等规律，助力理解神经调控机制；交感神经的血管伴行模式为疼痛、高血压等疾病的神经调控治疗（如射频消融）提供精准靶点参考；还可扩展至发育生物学（追踪神经发育轨迹）、比较解剖学（不同物种神经架构对比）等领域。同时，目前技术仍有优化空间，包括提升物镜数值孔径以提高横向分辨率、改进脂肪组织透明化效果、开发多通道同步成像等，未来有望应用于更大样本（如大鼠）的成像，进一步拓展其在生物医学研究中的应用。（生物谷Bioon.com）
参考文献：
Mei-Yu Shi et al. High-speed mapping of whole-mouse peripheral nerves at subcellular resolution, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.06.011.
3D imaging system reveals fine architecture of peripheral nervous systems in mouse body
https://medicalxpress.com/news/2025-07-3d-imaging-reveals-fine-architecture.html
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