探究複雜的大腦結構是為了能夠破解大腦的功能機制-來自馬克斯-普朗克生物物理化學研究所的Stefan Hell 研究小組朝這一目標邁進了重要的一步。利用Hell 開發的STED顯微鏡，科學家們首次成功地拍攝下了活體鼠大腦中的詳細圖像。以前所未有的低於70 納米的分辨率拍攝的影像，使得神經細胞間相互溝通的微小結構也得以顯現出來。STED 顯微鏡的應用為神經學家破解大腦中的基本過程開闢了許多新可能性。這一成果發表在2月3日的《科學》(Science ）雜誌上。
每天巨大數量的信息不僅僅是穿過我們的信息高速高路；我們的大腦還必須對這些海量的數據進行處理。為了達到這一要求，大約會有1000億個神經細胞分別與鄰近的數千個神經細胞建立聯繫，通過接觸位點-突
觸進行完整的數據交換。只有當神經細胞在正確的時間點和正確的位置通過這樣的接觸位點相互溝通，大腦才能精確完成它的各種複雜任務：彈奏難度很大的鋼琴曲，學習玩雜耍，或記住多年未見的熟人的名字。
通過觀察它們的工作，我們可以獲得大腦中這些重要接觸位點更多信息。新突觸在何時何地形成，為什麼它們會在別處消失？這並不容易確定，因為當前關於活體神經細胞的詳細信息都是研究人員利用光學顯微鏡觀察得到的。由於光的衍射現象，接近於200 納米的結構顯現出來就是一個模糊的點。馬克斯- 普朗克生物物理化學研究所的Stefan Hell 和研究小組開發的STED 顯微鏡是一項可突破這一分辨率限制的新技術。其採用一種簡單的策略：將黑暗中位置靠近的元件放置在特殊的激光束下，使它們能夠依次，而非同時發射熒光，從而可以加以區分。利用這一技術，Hell 的研究小組將分辨率提高到了傳統光學顯微鏡的10 倍。STED 顯微鏡可應用於從材料學研究到細胞生物學等廣泛領域。在這一顯微鏡下，可獲得對細胞培養物和組織樣品獨特見解。單個神經細胞的首個實時視頻證實微型的囊泡遞質在長神經細胞末端發生了遷移。
1 年前的一個雄心勃勃的願望-在高分辨率下納米範圍內實現對高等活體生物體的研究-如今變為了現實。利用STED 顯微鏡直接觀察活體小鼠的大腦，Hell 和他的研究小組第一次獲得了小鼠大腦上皮層的神經細胞圖像。
“ 利用我們STED 顯微鏡，我們可以清楚地看到活體小鼠大腦中神經細胞精細的突觸結構。70 納米的分辨率使得我們能夠輕易就識別出這些蘑菇頭形的樹突棘，” Hell 解釋說。它們是到目前為止獲得對於大腦中這些基本的接觸位點最清晰的圖像。“ 為了使它們可見，我們對小鼠進行了遺傳修飾，使它們的神經細胞生成了大量的黃色熒光蛋白。我們觀察到這些蛋白遷移到了神經細胞的分支，甚至是最小、最精細的結構中，”Hell' 部門的博士後研究人員 Katrin Willig 說。
這些用於實驗的遺傳修飾小鼠來源於馬克斯- 普朗克實驗醫學研究所的 Frank Kirchhoff 研究團隊。在對神經細胞進行的7-8 分鐘的成像過程中，研究人員獲得了一些驚人的發現：樹突棘頭部能夠移動便改變它們的形狀。
“ 在未來，這些超精細動態成像甚至可以顯示出這些接觸位點某些蛋白質的分佈情況，”Hell 補充說。Hel 研究小組希望通過利用這些越來越精細的大腦結構圖譜，能夠在分子水平上闡明突觸的組成和功能。此外，這些見解也能夠有助於更好地了解突觸功能異常所導致的疾病，例如自閉症和癲癇等。
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