世界上第一台声能显微镜无需改变细胞即可观察大脑 5 倍深度

麻省理工学院研究团队开发的世界首台声能显微镜正在彻底改变神经科学研究的技术版图。这一突破性成像系统通过将超快光脉冲与声学检测技术完美融合，实现了比传统光学显微镜深五倍的大脑组织成像能力，且无需对细胞进行任何化学标记或基因改造。该技术不仅为基础神经科学研究开辟了新路径，更有望在脑外科手术中发挥重要的实时指导作用。

传统的基于光学的显微镜系统虽然能够详细绘制大脑皮层图像，但在深入海马体等更深层脑区时往往力不从心，分辨率显著下降。更具挑战性的是，当研究人员需要观察单个细胞内的分子活动时——这对理解大脑功能和疾病机制至关重要——现有技术的局限性变得更加明显。麻省理工学院的科学家和工程师们正是在这一背景下开发出了这种创新的成像解决方案。

该系统的核心技术被称为"三光子光声成像"，其工作原理独特而巧妙。系统发射波长为分子正常吸收波长三倍的超短光脉冲，这些较长波长的光具有更强的组织穿透能力，散射程度显著降低。当光能被细胞内分子吸收后，大部分能量会在细胞内部产生快速的微观热膨胀，进而产生声波信号。随后，高灵敏度的超声波检测器捕获这些声波，通过先进的软件算法将其转换为清晰的成像数据。

麻省理工学院的新型多光子、光声、无标记显微镜系统。 大崎达也/麻省理工学院 Picower 研究所

无标记成像的技术革新

这一技术最引人注目的特点之一是其完全无需标记的成像能力。传统的深层组织成像往往需要使用荧光染料、化学标记物或基因改造技术来增强信号对比度，但这些方法可能影响细胞的正常生理状态，甚至产生毒性作用。新开发的声光显微镜彻底摆脱了这些限制，能够在保持细胞原始状态的前提下进行精确的分子检测。

研究团队将这一技术平台命名为"多光子输入和声学输出"系统，它不仅可以检测与细胞代谢和神经元活动密切相关的NAD(P)H分子，还能识别用于追踪神经活动的钙指示剂GCaMP等其他重要生物分子。此外，系统还集成了"三次谐波产生"成像技术，能够在同一次扫描中同时提供细胞结构和分子活动的详细信息。

该系统的实际应用能力已通过严格的实验验证得到证实。研究团队成功对1.1毫米厚的人类干细胞衍生脑类器官和0.7毫米厚的小鼠脑组织切片进行了高质量成像。项目主要研究者之一、博士后研究员W. David Lee表示，实验样本的厚度限制了对该技术真正极限的探索，暗示其实际穿透能力可能更为强大。

临床应用前景与未来发展

这一技术创新的临床应用潜力巨大，特别是在神经退行性疾病的研究和治疗方面。由于NAD(P)H水平的变化与阿尔茨海默病、雷特综合征和癫痫等多种神经系统疾病密切相关，该成像系统为研究这些疾病的发病机制和治疗效果评估提供了强有力的工具。

更令人兴奋的是该技术在脑外科手术中的应用前景。由于系统能够实时映射大脑活动而无需使用标记物，它有望为外科医生提供前所未有的手术指导信息，帮助精确定位病变区域并避免损伤重要的脑功能区域。

皮考尔研究所的共同主要作者大崎达也强调，该项目的核心目标是将多种先进技术整合成一个高效统一的成像流程，为神经科学研究和临床应用提供全面解决方案。

研究团队的下一步计划是在活体动物模型上测试该系统。这一阶段面临的主要技术挑战是需要将光源和声学检测器安置在组织的同一侧，而不是目前实验中采用的相对两侧配置。Lee预测，经过技术优化后，该系统应该能够对活体大脑内部2毫米深处进行高质量成像。

值得注意的是，Lee早期通过Precision Healing Inc.开展的研究已经证明NAD(P)H成像技术在指导伤口治疗方面的有效性，这为该技术在神经外科和脑部研究中的应用提供了重要的概念验证。该项目得到了美国国立卫生研究院、西蒙社会大脑中心、皮考尔研究所等多个权威机构的资助支持。