2014年諾貝爾化學獎頒給發明「超解析螢光顯微鏡」,讓光學顯微鏡突破了解析度極限的三位科學家。近期,本院應用科學研究中心陳壁彰助研究員與國立清華大學生命科學院院長暨腦科學中心主任江安世院士,共同開發了「透化層光定位顯微鏡」,讓超解析顯微技術更進一步,從觀測細胞層級一舉推展到能看清楚大一萬倍的組織層級,如:果蠅全腦。此技術可望為組織生理與病理學研究帶來新的突破,更有潛力揭開大腦記憶機制的神祕面紗。

加入中研院之前,陳壁彰師承2014年諾獎得主貝吉格(Eric Betzig)博士。如今,他與江安世院士合作,將生物組織在顯微鏡下變得透明,以掌握單一蛋白質分子的數量及空間分布。這項技術能一次解構果蠅全腦的多巴胺神經網路,並看見記憶蛋白在特定神經細胞突觸上的新生。研究論文已於今(2019)年10月18日刊登在《自然通訊》(Nature Communications)。

果蠅大腦的蕈狀體(mushroom body)與記憶息息相關。研究團隊比較了有受記憶訓練及沒有受記憶訓練的果蠅蕈狀體,觀察其中「囊泡單胺運轉蛋白質」(vesicular monoamine transporter)的分布後,發現只有在部分的突觸會有此種蛋白質增加。這表示,在單一一顆神經細胞中,記憶不僅會存在細胞本體,更會儲存在神經細胞溝通的橋樑之間。

此研究發現是「超解析三維光學顯微技術」首次應用成果。陳壁彰表示,這項最新技術可視為他今年稍早發表在Communications Biology研究的進階版。該研究是利用層光定位顯微鏡,達到小於100奈米(nm)的三維空間解析度,除可看見細胞核孔的大小,更具有三維活體超分辨的解析力。而在這技術基礎上,江安世院士將其用於觀察完整的果蠅大腦,也就是在比單一細胞大將近一萬倍的組織中,定位其中所有蛋白質分子。

左:超解析全腦果蠅全腦多巴胺神經多尺度圖像;中:超解析之果蠅眼部單一神經;右:超解析全腦囊泡單胺運轉蛋白在神經上的分佈。

 

然而,要將貝吉格博士的超解析螢光技術從二維細胞影像推進到三維組織研究,存在許多難題,例如:不透明的果蠅大腦光線穿透率很低、螢光染料難以均勻分布,以及層光顯微鏡觀察對象受限於很薄的單層細胞等。這對出身光學技術背景的陳壁彰深具挑戰。

為了解決這些問題,有賴跨領域實驗室之間的交流合作。首先,江安世院士發明的全腦組織透化方法,可將果蠅腦變透明,讓可見光得以穿透;而中研院物理所的胡宇光特聘研究員則針對螢光分子的嫁接進行修飾;李定國院士也在影像運算上給予指導;應科中心陳培菱研究員則具有處理超解析率影像的經驗;張書維副研究員則參與模擬光學系統。最後,朱麗安博士與呂杰翰博士完成了系統的架設與實驗操作與結果分析,完成論文。研究團隊終於讓「透化層光定位顯微鏡」成功在深約0.5 mm的大腦空間中,看見蛋白質分子的分布情形。

這項技術也讓影像解析的速度大幅提升。原本一個晚上僅能解析一層二維的細胞影像,但經由團隊中臺灣大學劉彥廷同學撰寫的平行運算軟體將運算速度大幅提升,如今一天即可解析一隻果蠅全腦的三維影像,並可隨心所欲地在果蠅大腦中的任何神經元進行蛋白質數量的統計分析。

超解析顯微鏡工作原理。當所有螢光蛋白同時亮起,顯微鏡解析度不足以解析各自蛋白位置(左),但若分開激發,則可經由計算中心位置,進而重組出螢光蛋白奈米等級尺度影像(右)

 

本次研究成果得以實現,除了應用科學研究中心內部經費支持外,也獲得了包括中央研究院前瞻計畫、科技部特色領域中心計畫、教育部深耕中心計畫等多項補助。本論文共同第一作者為朱麗安博士及呂杰翰博士,本研究團隊包括楊舜閔、劉彥廷、蔡允齊、王文呈、張煒堃、馮冠霖。其中第一作者朱麗安博士曾為2017年中央研究院生命科學組博士後研究員,現為腦科學中心博士後研究員,呂杰翰博士現為哈佛大學博士後研究員。論文連結:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12715-3

本院應科中心主任果尚志表示,目前該中心與清華大學生命科學院及腦科學研究中心即將簽署菁英博士班合作備忘錄,希望在雙方單位既有的基礎上擴大合作。此項計畫將提供成績優良及具研究潛力的博士班研究生每月優渥的獎學金,共同培育更多基礎科研人才。

(應用科學研究中心、秘書處)