撰稿 | 李東宇、朱?（華中科技大學）

活體腦成像對于研究大腦生理病理活動有著至關重要的意義。現代光學成像技術因其高分辨率和低侵入性，為活體觀測大腦皮層結構與功能提供了有效工具。但渾濁的顱骨極大地限制了成像質量和成像深度，光學成像應用于皮層觀測時往往需要借助各種“顱窗”技術。

開顱玻璃窗和磨薄顱骨窗是目前最廣為應用的顱窗技術。開顱玻璃窗需要借助外科手術去除部分顱骨，再在皮層上覆蓋一層玻璃；磨薄顱骨窗需將顱骨磨薄至25 μm以下。近年來，科研人員提出用化學試劑降低顱骨散射，直接提升顱骨透明度，即“光透明顱窗（Skull optical clearing window）”技術，這樣可在無需對顱骨進行外科手術的情況下，實現皮層成像。

這些顱窗技術的發展為實施皮層神經-血管光學成像提供了重要途徑，而針對急性腦損傷實施大視場、高分辨觀測時卻顯得無能為力。事實上，創傷性腦損傷（TBI）是一種臨床常見病，每年約有 6900 萬人遭遇此病，嚴重的甚至會有死亡風險。因此，發明一種能滿足急性腦損傷觀測的無損顱窗技術，具有重要的科學意義與臨床價值。

近日，來自華中科技大學朱?教授課題組發展了一種長效光透明顱窗（Through-Intact-Skull window，簡稱 TIS 窗），實現了對創傷性腦損傷的大視場、高分辨的實時動態觀測；基于TIS窗，與浙江大學錢駿教授課題組、奚望副教授課題組合作開展了小鼠皮層深組織成像、并實現清醒動物長達數周的觀測。成果以 A Through-Intact-Skull (TIS) chronic window technique for cortical structure and function observation in mice 為題發表在eLight期刊。

顱骨的主要成分包括鈣質、膠原蛋白、脂類和水，這些組分的折射率各不相同，從而引起了強烈的散射，極大地限制了光學成像在皮層深組織的成像質量。為了減小顱骨的散射，論文作者使用了三種試劑，分別用于膠原解離、去脂和折射率匹配，從而使顱骨變得透明。但純粹的液體試劑根本無法應用于清醒或自由活動的小鼠皮層的觀察。本文作者在使用光透明試劑之后，進一步通過光固化，使顱骨在 2-3 周之內一直保持良好的透明狀態。由于 TIS 窗是在顱骨表面滴加透明試劑，因此可以獲得較大觀測視場，同時也能保證較高分辨率（如圖1所示）。

圖1：TIS窗下的雙光子皮層成像。（a）雙側半腦雙通道成像。（b-d）圖a中對應區域的放大成像。（e-j）圖b-d中對應區域的放大成像，可清晰地觀察到神經元樹突棘。

利用該技術，研究人員對小鼠雙側皮層視野內的長時程細胞追蹤，從而高分辨地觀測創傷性腦損傷后的全局免疫應答（如圖2所示）。

圖2：急性 TBI 后雙側皮層范圍內的細胞追蹤。（a-r）TBI 后不同區域內的免疫細胞動力學參數分析。該小鼠發生 TBI 后，在損傷區域附近、中縫附近和損傷區域對側均觀察到中性粒細胞活動。經量化分析，發現中縫附近（而非損傷區域附近）的中性粒細胞運動最為劇烈。（s-u）在一只小鼠上觀察到 TBI 2 小時后發生腦出血。發現出血發生時，中性粒細胞運動速度開始加快，出血范圍蔓延至該區域時，中性粒細胞運動速度到達頂峰，隨后下降至平穩。

此外，研究人員還對 TIS 窗的性能進行了全面評估，透過 TIS 窗實現小鼠皮層高分辨（神經元樹突棘）、大深度（~900 μm）、長時程（數周）成像，并用于清醒動物神經活動的觀測（如圖3所示）。毫不夸張地說，TIS 窗在具有其獨特優勢的同時，擁有了現有顱窗技術所擁有的全部應用場景。

圖3：TIS 窗用于長期皮層神經血管結構及功能成像（a）皮層血流分布跟蹤。（b）皮層不同深度神經元結構長期成像。（c）清醒小鼠的皮層神經活動觀測。

因此，TIS 窗技術未來在腦科學的生理病理研究中具有巨大的潛力。

| 論文信息 |

Li, D., Hu, Z., Zhang, H. et al. A Through-Intact-Skull (TIS) chronic window technique for cortical structure and function observation in mice. eLight 2, 15 (2022).

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00022-2

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