大脑的神经回路是一个极其复杂的网络，包含数十亿个神经元细胞，在这些细胞间又存在着数以百亿计的连接。如果只了解其中单个分子或单个神经细胞的工作机理而不了解多个神经元细胞之间连接之后的网络结构和集体行为方式，是无法理解大脑复杂且高等的功能行为的，也无法解释很多脑部疾病的致病机理。目前，尽管成像技术众多，但仍然缺乏可以在亚细胞神经元突起水平上描绘出单个脑组织中所有细胞以及神经投射图谱的方法。因此，构建出一种能快速绘制神经网络联接图谱，展现全细胞细节并与电子显微成像相关联以发挥二者优势的光学成像技术，对我们了解大脑的工作机制和相关疾病机理具有重大意义。
为了实现这个目的，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所张若冰课题组提出一种光学多层干涉断层成像方法——“Optical Multilayer Interference Tomography (OMLIT)”。原本仅用于收集超薄切片的卷带以及为电镜成像提供导电性的导电镀层在光学显微镜下发挥了意想不到的作用：光经过层与层之间的反射与干涉后到达物镜，获得了对比度增强的图像。OMLIT在此基础上通过测试收集超薄切片时所使用的卷带材料、镀层材料、镀层厚度、超薄切片厚度等因素，寻找到一种在光学分辨率下获取满足介观尺度下要求的图像的条件。
图1 脑组织样本中的多层反射模型和细胞结构示意图
这种成像方法另外的优势在于快速高效准确。相较于电子显微镜成像所需3.5小时，OMLIT在最快12分钟内获得了神经突触水平下的小鼠皮层三维结构数据集（0.95×1.15×0.027mm3），可区分和重建所有神经元和神经胶质细胞的形态以及空间位置,以及毛细血管和神经突触的交织网络。最终使用扫描电镜验证了OMLIT的成像与三维重建精度，展示了两种成像方法之间的兼容性。未来可将长程神经投射图谱与单个脑组织中全细胞的局部回路的互补突触级细节合并，提高大尺度脑图谱的成像通量。
图2 分别使用 OMLIT 和 ATUM-sSEM 对小鼠皮层组织同一区域三维重构的结果
相关成果已经以“Optical Multilayer Interference Tomography Compatible with Tape-Based Serial SEM for Mesoscale Neuroanatomy”为题在线发表在ACS Photonics（IF = 7.529, JCR Q1）上，并选为补充期刊封面。论文第一作者为硕士生范昊，通讯作者为张若冰研究员。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.1c00892
