Neuron | 全脑成像“快、亮、准”，UltraMicroscope助力国内学者打开神经回路全景图

近期，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院林睿课题组与北京脑科学与类脑研究所罗敏敏课题组在Neuron上联合发表了一种全新的化学标记策略 LINCS（labeling individual neurons with chemical dyes and controllable sparseness），实现快速、超高亮度的单个神经元可视化，以及在此基础上可靠的全脑乃至全身连接组分析。在这项工作中，光片显微镜如美天旎UltraMicroscope完成了关键的全脑三维成像，展示了与LINCS标记技术的协同优势。

在全脑连接组成像中，“信号是否明亮且均匀”并不只是“好不好看”的问题，而是直接决定了能否被自动算法识别、追踪与重建。当信号在样本深处逐渐减弱，或是轴突的图像在空间中变得断续，后续几乎不可能完成可靠的自动分割和三维重构。许多方法在小样本中效果不错，但一旦放大到全脑，问题便被无限放大。

这也是为什么，全脑成像领域真正可用于系统性分析的研究相对有限。LINCS 的开发，正是从这一“源头问题”入手。

1. 酶促生物素化-链霉亲和素荧光标记两步放大：融合GB1标签（链球菌蛋白G的B1结构域）构建可溶性增强的TurboID（seTurboID），实现神经元轴突末端的表达覆盖，在体邻近生物素化小鼠饮水摄入的生物素。随后用改造的仅保留一个活性结合位点的单价链霉亲和素偶联荧光染料进行全脑快速染色，保持高亲和力的同时克服深层穿透及染色特异性挑战，从而获得超高亮度、光稳定且耐受透明化处理的荧光信号。

2. 快速均匀的组织透明化与染色：使用小分子热稳定的单价链霉亲和素替代传统大分子IgG抗体，将染色孵育时间缩短至3天。小鼠全脑样本制备整体时长缩短至7天，相比iDISCO+或vDISCO等方案需18-21天，而整只小鼠的制样用时从wildDISCO的25天缩短至15天。

3. 基于CRISPR的Cre敲除提供稳定稀疏标记：开发 AAV 介导的 Cas9-Cre KO 系统（Cre-KO AAV），定向递送至细胞类型特异性Cre转基因小鼠的特定脑区，通过调节敲除效率实现Cre表达依赖性稀疏标记，标记密度可调且长期稳定，便于重构单个神经元的完整形态。

4. 整合成像工作流程：LINCS产生的信号明亮且均匀，天然地适合于光片显微镜低倍镜大视场进行三维大体积成像。论文验证了 LINCS 与光片显微成像、膨胀显微技术（ExM）、isHCR 等方法的兼容性，既能做高通量全脑/全身成像，也能结合ExM解析精细结构。

LINCS实现神经元特异性标记的原理及工作流程示意图

LINCS标记的信号密度与强度远高于iDISCO+，

图上显示小鼠半脑标记VTA和SNc的多巴胺能神经元

有了LINCS标记的样本，还要有合适的成像系统在合理时间内完成采集高质量图像。在这篇论文中，研究团队选择使用UltraMicroscope II对 LINCS 标记后的全脑样本进行成像。

UltraMicroscope 专为透明化大样本成像设计，能够在保持样本结构完整的前提下，对全脑进行三维成像。论文中的数据清晰显示，从皮层到深部脑区，神经元轴突信号连续、背景干净，为后续分析打下了坚实的基础。

LINCS标记小鼠全脑DRN血清素能神经元（灰色）的三维可视化

更重要的是，这些图像并未止步于“好看”。作者进一步基于这些光片图像，实现了自动化轴突分割与单个神经元形态重建，将图像真正转化成了可计算、可比较的数据。

这项研究不只是开发了一种新的标记技术，更是一种研究范式的变化，快捷的高保真标记与高质量成像共同支撑起了定量分析与系统建模，有望作为常规神经回路技术广泛普及。在这一过程中，成像平台的角色也发生了变化，不再只是“拍照工具”，而是连接样本制备、标记策略与数据分析的关键枢纽。

基于LINCS稀疏标记的全脑单神经元重构

在神经科学、发育生物学乃至复杂疾病模型研究中，UltraMicroscope所代表的大体积三维成像能力，正在成为理解复杂生命系统的重要基础设施。当标记化学、成像平台与分析算法彼此匹配，全脑尺度的研究，正在变得更可及、可重复，也更具解释力。

这项研究中全脑成像所使用的是经典的UltraMicroscope II系统，全脑高分辨率成像耗时约8小时。如今，新一代的自动化UltraMicroscope Blaze^™系统，提供LightSpeed极速成像模式，同样是4x物镜下，相比这篇论文所用的动态聚焦标准模式，成像速度提升44倍，大大提高工作效率。还可搭配MACS^® UltraMount 8样本支架，平行处理8个鼠脑。

美天旎整合UltraMicroscope光片显微成像与MACSima^™超多重空间组分析两大空间生物学成像平台，推出“光片3D引导的超多重空间分析”工作流程。研究者可先对透明化样本进行光片三维全景成像，定位感兴趣区域；然后根据三维图像精准指导，对关键区域进行切片，再利用MACSima进行超多重原位分析；最终，将三维全景图像与二维超多重信息进行融合比对，为全面解析全脑等复杂大样本提供空前的洞见。