透视全脑！中研院研发「透化层光定位显微镜」 可望揭开大脑记忆机制
▲中央研究院助研究员陈壁彰团队开发了「透化层光定位显微镜」，让超解析显微技术更进一步，从观测细胞层级一举推展到能看清楚大一万倍的组织层级。（图／中央研究院提供）
2014年诺贝尔化学奖颁给发明「超解析萤光显微镜」，让光学显微镜突破了解析度极限的三位科学家。近期，中央研究院应用科学研究中心助研究员陈壁彰，与清华大学生命科学院院长暨脑科学中心主任江安世，共同开发了「透化层光定位显微镜」，让超解析显微技术更进一步，从观测细胞层级一举推展到能看清楚大一万倍的组织层级。此技术可望为组织生理与病理学研究带来新的突破，更有潜力揭开大脑记忆机制的神秘面纱。
陈壁彰与江安世合作，将生物组织在显微镜下变得透明，以掌握单一蛋白质分子的数量及空间分布。这项技术能一次解构果蝇全脑的多巴胺神经网路，并看见记忆蛋白在特定神经细胞突触上的新生。研究论文已于今（2019）年10月18日刊登在《自然通讯》（Nature Communications）。
陈壁彰团队指出，果蝇大脑的蕈状体（mushroom body）与记忆息息相关。研究团队比较了有受记忆训练及没有受记忆训练的果蝇蕈状体，观察其中「囊泡单胺运转蛋白质」（vesicular monoamine transporter）的分布后，发现只有在部分的突触会有此种蛋白质增加。这表示，在单一一颗神经细胞中，记忆不仅会存在细胞本体，更会储存在神经细胞沟通的桥梁之间。
▲超解析全脑囊泡单胺运转蛋白在神经上的分布。（图／中央研究院提供）
此研究发现是「超解析三维光学显微技术」首次应用成果。陈壁彰表示，这项最新技术可视为他今年稍早发表在Communications Biology研究的进阶版。该研究是利用层光定位显微镜，达到小于100奈米（nm）的三维空间解析度，除可看见细胞核孔的大小，更具有三维活体超分辨的解析力。而在这技术基础上，江安世将其用于观察完整的果蝇大脑，也就是在比单一细胞大将近一万倍的组织中，定位其中所有蛋白质分子。
然而，要将超解析萤光技术从二维细胞影像推进到三维组织研究，存在许多难题，例如：不透明的果蝇大脑光线穿透率很低、萤光染料难以均匀分布，以及层光显微镜观察对象受限于很薄的单层细胞等。这对出身光学技术背景的陈壁彰深具挑战。
▲超解析显微镜工作原理。当所有萤光蛋白同时亮起，显微镜解析度不足以解析各自蛋白位置（左），但若分开激发，则可经由计算中心位置，进而重组出萤光蛋白奈米等级尺度影像（右）。（图／中央研究院提供）
为了解决这些问题，有赖跨领域实验室之间的交流合作。首先，江安世发明的全脑组织透化方法，可将果蝇脑变透明，让可见光得以穿透；而中研院物理所的特聘研究员胡宇光则针对萤光分子的嫁接进行修饰；李定国也在影像运算上给予指导；应科中心研究员陈培菱则具有处理超解析率影像的经验；副研究员张书维则参与模拟光学系统。最后，博士朱丽安与吕杰翰完成了系统的架设与实验操作与结果分析，完成论文。研究团队终于让「透化层光定位显微镜」成功在深约0.5 mm的大脑空间中，看见蛋白质分子的分布情形。
▲超解析全脑果蝇全脑多巴胺神经多尺度图像。（图／中央研究院提供）
这项技术也让影像解析的速度大幅提升。原本一个晚上仅能解析一层二维的细胞影像，但经由团队中台湾大学学生刘彦廷撰写的平行运算软体将运算速度大幅提升，如今一天即可解析一只果蝇全脑的三维影像，并可随心所欲地在果蝇大脑中的任何神经元进行蛋白质数量的统计分析。
中研院应科中心主任果尚志表示，目前该中心与清华大学生命科学院及脑科学研究中心即将签署菁英博士班合作备忘录，希望在双方单位既有的基础上扩大合作。此项计划将提供成绩优良及具研究潜力的博士班研究生每月优渥的奖学金，共同培育更多基础科研人才。