登上Cell子刊封面：林睿/羅敏敏合作開發(fā)神經(jīng)元高亮標(biāo)記技術(shù)，建立新一代單神經(jīng)元重構(gòu)平臺

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

哺乳動物的大腦是一個錯綜復(fù)雜的神經(jīng)元回路網(wǎng)絡(luò)，由數(shù)十億個神經(jīng)元通過數(shù)以萬億計的突觸相互連接而成。在這個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，單個神經(jīng)元在形態(tài)、轉(zhuǎn)錄身份和功能作用方面表現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性。揭開大腦的組織原則和功能連接性需要具備單細(xì)胞分辨率的方法學(xué)，以捕捉這種多樣性。

基因標(biāo)記、高分辨率成像和計算分析方面的最新進(jìn)展，極大地促進(jìn)了在哺乳動物系統(tǒng)中對整個大腦神經(jīng)元形態(tài)的重建工作。這些進(jìn)展為了解介觀尺度（即細(xì)胞水平）的連接性和支撐大腦功能的結(jié)構(gòu)模式提供了關(guān)鍵見解。然而，要想生成具有單神經(jīng)元分辨率的全面大規(guī)模腦圖譜，仍需在標(biāo)記準(zhǔn)確度和成像效率方面取得進(jìn)一步創(chuàng)新。

近日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院林睿實驗室與北京腦科學(xué)與類腦研究所羅敏敏實驗室合作，在 Cell 子刊Neuron上發(fā)表了題為：Ultrabright Chemical Labeling Enables Rapid Neural Connectivity Profiling in Large Tissue Samples 的研究論文，該論文還被選為當(dāng)期封面論文。

該研究提出了一種高亮的小鼠全腦/全身神經(jīng)元快速化學(xué)熒光標(biāo)記方法——LINCS（Labeling Individual Neurons with Chemical dyes and Controllable Sparseness）。該方法兼容組織透明化方法與光片顯微成像技術(shù)，并簡化了樣本制備流程，實現(xiàn)快速、高亮且均勻的標(biāo)記。同時，該研究開發(fā)了穩(wěn)定稀疏度的神經(jīng)元稀疏標(biāo)記策略，通過將 LINCS 與不同的稀疏標(biāo)記策略結(jié)合，建立了新一代基于光片顯微成像的全腦單神經(jīng)元重構(gòu)方案。

該研究提出了 LINCS，它克服了當(dāng)前神經(jīng)解剖學(xué)繪圖方法在速度、信號穩(wěn)健性和可擴(kuò)展性方面的關(guān)鍵限制。LINCS 利用一種溶解度增強(qiáng)的 TurboID（seTurboID）在特定類型的神經(jīng)元中產(chǎn)生廣泛的生物素化標(biāo)記。這些生物素標(biāo)記隨后通過快速整體染色被熒光團(tuán)偶聯(lián)的單鏈鏈霉親和素識別，從而產(chǎn)生超亮信號，適用于光片成像和后續(xù)的連接分析——從單個神經(jīng)元到透明化組織中的全身神經(jīng)回路。該封面圖片隱喻地描繪了這一過程：一位穿越黑暗稻田的旅行者手持一盞燈籠（代表seTurboID），燈籠里裝的是發(fā)光的螢火蟲（代表生物素分子）。當(dāng)螢火蟲飛出時，它們照亮了道路，象征著被 LINCS 明亮標(biāo)記的精細(xì)神經(jīng)元軸突。

全面繪制整個神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元連接圖譜仍然是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一項基礎(chǔ)性挑戰(zhàn)。

在這項新研究中，研究團(tuán)隊介紹了一種名為LINCS（基于化學(xué)染料與可控稀疏度的單神經(jīng)元標(biāo)記）的新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對小鼠全腦及全身特定細(xì)胞類型的快速、超亮且光穩(wěn)定的標(biāo)記。

LINCS利用鄰近標(biāo)記（proximity labeling）方法，通過結(jié)合 Cre 依賴型 AAV 與特定 Cre 轉(zhuǎn)基因小鼠品系，在神經(jīng)元中表達(dá)可溶性增強(qiáng)型工程化生物素連接酶（solubility-enhanced TurboID，簡稱為seTurboID），并為小鼠提供生物素飲水。生物素擴(kuò)散入細(xì)胞后被 seTurboID 催化，共價標(biāo)記至胞內(nèi)蛋白，完成神經(jīng)元的高效在體內(nèi)的生物素化。隨后，LINCS 通過熒光染料偶聯(lián)的鏈霉親和素（Streptavidin）進(jìn)行全腦染色，將生物素標(biāo)記轉(zhuǎn)化為熒光信號，從而實現(xiàn)細(xì)胞類型和神經(jīng)環(huán)路特異性的靶向神經(jīng)元標(biāo)記。

結(jié)合組織透明化與光片顯微鏡技術(shù)，該體系構(gòu)建了可高效解析中樞神經(jīng)系統(tǒng)與外周神經(jīng)系統(tǒng)中長程神經(jīng)元投射的完整方案。此外，研究團(tuán)隊還開發(fā)了基于 CRISPR-Cas9 介導(dǎo) Cre 敲除的腺相關(guān)病毒（AAV）策略，實現(xiàn)穩(wěn)定的稀疏標(biāo)記，從而支持大規(guī)模的單神經(jīng)元精細(xì)形態(tài)重建。

總的來說，該研究開發(fā)的 LINCS 技術(shù)，通過創(chuàng)新性的結(jié)合工程化 seTurboID 與單價鏈霉親和素，突破了現(xiàn)有方案在標(biāo)記速度、信號強(qiáng)度與均勻性以及組織穿透性上的核心瓶頸。LINCS 流程可適配從全腦到全身的跨尺度樣本，并兼容多模態(tài)技術(shù)，為神經(jīng)元連接組學(xué)研究提供了高效、穩(wěn)定、易用且可擴(kuò)展的解決方案。

論文鏈接：

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(25)00657-9