视频:THG成像的概述，以及它如何使关于Rett综合征早期大脑发育的新发现成为可能。

图片来源:苏尔实验室/麻省理工学院皮考尔研究所

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的科学家们使用一种创新的显微镜方法，观察了新生神经元如何在Rett综合征的高级人类脑组织模型中艰难地到达它们合适的位置，从而对这种破坏性疾病患者大脑中观察到的发育缺陷可能如何出现产生了新的见解。

Rett综合征是由MECp2基因突变引起的，其症状包括严重的智力残疾和社会行为受损。为了进一步了解这种突变如何影响人类大脑发育的早期阶段，麻省理工学院大脑和认知科学系的神经科学牛顿教授Mriganka Sur实验室的研究人员使用MECp2突变的人的细胞培养出了被称为大脑类器官或微型大脑的3D细胞培养物，并将它们与没有突变的相同培养物进行比较。然后，由博士后穆拉特·耶尔德勒姆领导的研究小组使用一种名为三次谐波生成(THG)三光子显微镜的先进成像技术，检查了每种微型大脑的发育情况。

THG是Yildirim帮助苏尔实验室与麻省理工学院机械工程教授peter So合作的先驱，它允许对活体完整组织进行非常高分辨率的成像，而不需要添加任何化学物质来标记细胞。这项新研究发表在eLife耶尔德勒姆说，该公司是第一个使用THG对类器官进行成像的公司，使它们几乎不受干扰。以前的类器官成像研究需要使用不能全程成像3D组织的技术，或者需要杀死培养物的方法:要么把它们切成薄片，要么用化学方法清除并标记它们。

三光子显微镜使用激光，但是Yildirim和So定制的实验室显微镜对组织的作用不超过猫玩具激光笔(小于5毫瓦)。

耶尔德勒姆说:“你应该确保自己不会以任何不利的方式改变或影响神经元生理机能。”“你真的应该保持所有东西的完整性，确保你没有带来可能造成损害的外部东西。这就是为什么我们对能量(和化学标记)如此小心。”

即使在低功率下，他们也获得了足够的信号，以实现固定和活体类器官的无标记、完整的成像。为了验证他们将THG图像与通过更传统的化学标记方法获得的图像进行了比较。

THG系统允许他们跟踪新生神经元从微型大脑(称为脑室)开放空间的边缘到外缘的迁移，外缘直接类似于大脑皮层。他们发现，在模拟Rett综合征的微型大脑中，新生神经元的运动速度较慢，呈曲线形，而在没有MECp2突变的微型大脑中，同样的细胞类型表现出的直线运动速度较快。苏尔说，这种迁移缺陷的后果与包括他实验室的科学家在内的科学家对雷特综合症胎儿的假设是一致的。

“我们从死后的大脑和大脑成像方法中知道，在雷特综合征的大脑发育过程中，事情会出错，但要弄清楚是什么以及为什么会出错，这是非常困难的，”苏尔说，他是麻省理工学院西蒙斯社会大脑中心的主任。“这种方法使我们能够直接可视化一个关键贡献者。”Yildirim说，THG不需要标签就能成像组织，因为它对材料折射率的变化非常敏感。因此，它解决了生物结构之间的边界，如血管、细胞膜和细胞外空间。由于神经形状在发育过程中会发生变化，该团队还能够清楚地看到心室区(脑室周围的区域，新生神经元出现)和皮层板(成熟神经元进入的区域)之间的圈定。也很容易分辨出不同的心室，并将它们分割成不同的区域。

这些特性使研究人员能够发现在雷特氏类器官综合征中，脑室更大、数量更多，而脑室区(脑室周围的边缘，神经元诞生的地方)更薄。在活的类器官中，他们能够跟踪一些神经元在几天内向皮层移动，每20分钟拍摄一张新照片，在真正发育中的大脑中，神经元也尝试这样做。他们发现Rett综合症神经元的速度只有未突变神经元的三分之二。雷特神经元的路径也明显更加扭动。这两种差异加在一起意味着瑞特的细胞只能到达一半的距离。

“我们现在想知道MECp2是如何影响影响神经元迁移的基因和分子的，”Sur说。“通过筛查雷特氏类器官综合征，我们有了一些很好的猜测，我们渴望进行测试。”耶尔德勒姆将于今年9月在克利夫兰诊所的勒纳研究所(Lerner Research Institute)担任助理教授，成立自己的实验室。他说，他基于这些发现提出了一些新问题。他想在以后的类器官发育过程中成像，以追踪这种迂回迁移的后果。他还想找出更多关于特定细胞类型是否会或多或少地迁移的信息，这可能会改变皮质回路的工作方式。

耶尔德勒姆还表示，他希望继续推进THG三光子显微镜，他认为这种技术在人类精细成像方面有潜力。这对人类来说是一个重要的优势，尤其是成像方法可以深入活组织，而不需要人工标记。

除了Yildirim, Sur and So，该论文的其他作者是Chloe Delepine, Danielle Feldman, Vincent pham, Stephanie Chou, jacques pak Kan Ip, Alexi Nott, Li-Huei Tsai和Guo-li Ming。

文章标题Label-free three-photon imaging of intact human cerebral organoids for tracking early events in brain development and deficits in Rett syndrome