荧光显微镜是生物学领域最流行的成像技术，因为它在使用荧光标记的分子特异性标记方面具有优势，并且具有实时成像能力。由于光的衍射极限，使用传统的光学显微镜无法在纳米级解析蛋白质迁移率和亚细胞结构，如突触。近年来，已经出现了几种形式的荧光显纳镜，它们的成像分辨率是传统荧光显微镜的2~100倍。荧光显纳技术提供了一种功能强大的新型成像工具，其分辨率与电子显微镜相似；同时，它具有适合研究亚细胞结构和生物过程的一定优势，包括活细胞、多色、实时和三维（3D）分子成像，以及跟踪能力。结合其他尖端技术，荧光显纳技术为更好地了解神经元、神经元回路以及最终神经系统的功能提供了一条途径。

上海理工大学顾敏院士研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年9月刊发表了题目为《Fluorescence nanoscopy in neuroscience（荧光显纳镜在神经科学中的应用）》的综述性文章，回顾了几种荧光显纳镜技术：结构光照明显微镜（SIM）、受激发射损耗（STED）显微镜、随机光学重构显微镜（STORM）/光敏定位显微镜（PALM）和最小辐射通量（MINFLUX）显纳镜，它结合了STED显微镜和STORM。其次，文章从分子和细胞神经科学的角度讨论这些技术的高级应用。最后，文章总结了荧光显纳镜在神经科学中的前景。

图1 离体和体内神经元的纳米成像。（a）视网膜神经节细胞的样品制备和离体STORM成像。最终图像的插图（右下）显示了树突部分的放大视图。（b）小鼠体感皮层的体内STED成像。

值得注意的是，尽管荧光显纳技术在活性区（AZ）中提供了非常精细的结构信息（如密集蛋白质的亚细胞区室），但不同分子结构的特定生理特性仍然是一项重大挑战。荧光显纳镜主要用于研究结构（如膜相关周期性骨架和蛋白质的功能），特别是在终端棒头中[如突触前AZ和突触后密度（PSD）]。由于组织和光的特性，动态、活细胞和体内深部组织成像仍然具有挑战性。同时，由于STED显微镜提供活细胞跟踪功能，因此动态揭示了神经元传递过程中的突触融合。

总之，荧光显纳技术研究在过去的几十年中发展迅速，有望推动荧光探针和标记方法的进一步发展，以实现超高分辨率成像，同时降低所需的光子预算和样品的光毒性。与传统显微镜不同，荧光显纳显微镜提供了一种实现基因组规模成像的有前景的方法，这将产生细胞行为和功能的分子基础的全景图。结合其他光学方法、精确建模和对大脑深处神经活动的操纵，荧光显纳技术将继续彻底改变神经科学。MINFLUX显纳镜将实现体内成像和神经活动跟踪，以进一步量化具有纳米空间分辨率和微秒时间分辨率的突触参数。基于机器学习的荧光显纳技术有可能在神经科学领域实现前所未有的应用发展。文章表明，所有形式的荧光显纳技术都将被继续用于阐明大脑的秘密，并为人工智能的突破性发展做出贡献。

以上内容来自：Yangyundou Wang, Jian Lin, Qiming Zhang, Xi Chen, Haitao Luan, Min Gu. Fluorescence nanoscopy in neuroscience [J]. Engineering, 2022, 16(9): 29-38.

原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2020.11.010