美國索爾克研究所（Salk Institute）的科學家們發明了可穿戴顯微鏡，可以在以前無法到達的區域生成小鼠脊髓活動的實時高分辨率圖像。

使用新型可穿戴顯微鏡拍攝的小鼠脊髓中的神經細胞圖像。藍色代表神經元，綠色代表其中發送疼痛信號的神經元。圖片來源：索爾克研究所

來源 SALK INSTITUTE

翻譯 楊夢

編輯 魏瀟

脊髓是大腦和身體之間傳遞信號的信使，調節從呼吸到運動的一切活動。眾所周知的是，脊髓在傳遞疼痛信號方面發揮著重要作用，但現有技術限制了科學家們在細胞水平上對這一過程如何發生的理解。現在，美國索爾克研究所的科學家們發明了可穿戴顯微鏡，它能夠****地深入了解小鼠脊髓內產生的的信號模式。

兩篇分別于 3 月 21 和 3 月 6 日在《自然-通訊》（Nature Communications）和《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）上發表的論文詳細介紹了這項技術進展，它將幫助研究人員更好地了解在健康或疾病情況下感覺和運動的神經基礎，例如慢性疼痛、瘙癢、肌萎縮側索硬化（ALS）或多發性硬化（MS）等。

“這些新型可穿戴型顯微鏡使我們能夠以其他高分辨率技術無法達到的速度看到在某區域與感覺和運動相關的神經活動，”論文的**作者、索爾克研究所副教授、韋特**生物光子學中心（Waitt Advanced Biophotonics Center）主任 Axel Nimmerjahn 表示，“我們的可穿戴型顯微鏡從根本上改變了研究中樞神經系統的可能方法。”

這種可穿戴顯微鏡大約有 7 到 14 毫米寬（大約是小指或人體脊髓的寬度），可以在以前無法進入的脊柱區域提供高分辨率、高對比度和多色的實時影像。這項新技術可以與微棱鏡植入物（microprism implant）——一種放置在目標組織區域附近的小型反射玻璃元件結合使用。

索爾克研究所開發的兩種可穿戴顯微鏡。圖片來源：Salk Inistitute

“微棱鏡增加了成像的深度，因此可以觀察到以前無法觸及的細胞。它還可以在對組織的干擾降至*小的情況下，同時對不同深度的細胞成像。”其中一項研究的共同**作者、Nimmerjahn 實驗室的研究員 Erin Carey 說。

Nimmerjahn 實驗室的前博士后 Pavel Shekhtmeyster 是這兩項研究的共同**作者之一，他同樣表示，“我們已經克服了脊髓研究中的視野和深度障礙。我們的可穿戴型顯微鏡足夠輕，能夠戴在小鼠身上，并進行在從前被認為是不可實現的監測?！?/span>

有了這種新型顯微鏡，Nimmerjahn 的團隊開始應用這項技術來收集有關中樞神經系統的新信息。他們尤其希望對脊髓中的星形膠質細胞（一種神經膠質細胞）進行成像，因為該團隊的早期工作表明這些細胞出人意料地參與了痛覺加工過程。

研究團隊發現，擠壓小鼠的尾巴會激活星形膠質細胞，在脊髓節段間發送協調信號。在新型顯微鏡發明之前，我們很難知道星形膠質細胞是如何活動的——或者說，對于正在運動著的動物，我們很難看到它們脊髓區域的細胞活動是什么樣的。

“（這些新型顯微鏡）將疼痛信號出現的時間、位置以及參與該過程的細胞可視化，這使我們可以測試和設計治療干預措施，”其中一項研究的共同**作者、Nimmerjahn 實驗室的研究員 Daniela Duarte 說，“這類新型顯微鏡可能會徹底改變對疼痛的研究?！?/span>

Nimmerjahn 的團隊已經開始研究脊髓中的神經元和非神經元活動在不同的疼痛條件下是如何變化的，以及各種治療方法是如何控制異常細胞活動的。

https://www.eurekalert.org/news-releases/983040

論文信息【1】

【標題】Multiplex translaminar imaging in the spinal cord of behaving mice

【作者】 Pavel Shekhtmeyster, Erin M. Carey, Daniela Duarte, Alexander Ngo, Grace Gao, Nicholas A. Nelson, Charles L. Clark & Axel Nimmerjahn

【期刊】Nature Communications

【日期】21 March 2023

【DOI】 https://doi.org/10.1038/s41467-023-36959-2

【摘要】While the spinal cord is known to play critical roles in sensorimotor processing, including pain-related signaling, corresponding activity patterns in genetically defined cell types across spinal laminae have remained challenging to investigate. Calcium imaging has enabled cellular activity measurements in behaving rodents but is currently limited to superficial regions. Here, using chronically implanted microprisms, we imaged sensory and motor-evoked activity in regions and at speeds inaccessible by other high-resolution imaging techniques. To enable translaminar imaging in freely behaving animals through implanted microprisms, we additionally developed wearable microscopes with custom-compound microlenses. This system addresses multiple challenges of previous wearable microscopes, including their limited working distance, resolution, contrast, and achromatic range. Using this system, we show that dorsal horn astrocytes in behaving mice show sensorimotor program-dependent and lamina-specific calcium excitation. Additionally, we show that tachykinin precursor 1 (Tac1)-expressing neurons exhibit translaminar activity to acute mechanical pain but not locomotion.

【鏈接】

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36959-2

論文信息【2】

【標題】Trans-segmental imaging in the spinal cord of behaving mice

【作者】 Pavel Shekhtmeyster, Daniela Duarte, Erin M. Carey, Alexander Ngo, Grace Gao, Jack A. Olmstead, Nicholas A. Nelson & Axel Nimmerjahn

【期刊】Nature Biotechnology

【日期】06 March 2023

【DOI】 https://doi.org/10.1038/s41587-023-01700-3

【摘要】Spinal cord circuits play crucial roles in transmitting pain, but the underlying activity patterns within and across spinal segments in behaving mice have remained elusive. We developed a wearable widefield macroscope with a 7.9-mm2 field of view, ~3- to 4-μm lateral resolution, 2.7-mm working distance and

【鏈接】

https://www.nature.com/articles/s41587-023-01700-3