一只普通的老鼠，能不能讓它“透明”起來，看到體內(nèi)每一根神經(jīng)的走向？

過去，科學家們對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的探索可謂非常深入，從神經(jīng)元之間的突觸連接，到腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同活動，甚至能用毫米級分辨率繪出整張“腦地圖”。然而，另一個同樣關(guān)鍵的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——周圍神經(jīng)系統(tǒng)，卻像是被籠罩在迷霧中的“隱秘通道”。

這一困境近日被中國科學技術(shù)大學團隊突破。研究團隊發(fā)表在《細胞》（Cell）雜志的最新研究顯示，他們開發(fā)出了目前世界最快的小動物全身亞細胞級高清三維成像技術(shù)，清晰地看到了小鼠周圍神經(jīng)系統(tǒng)。這也是科學家首次以亞細胞級分辨率，在短短40小時內(nèi)繪制出整只成年小鼠的周圍神經(jīng)三維圖譜。

成年小鼠神經(jīng)和脈管系統(tǒng)的3D視圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

難以看清的“神經(jīng)高速公路”

如果說大腦是控制中心，那么周圍神經(jīng)系統(tǒng)就是它派出的數(shù)以億計的“特派員”。它們從脊髓和腦干出發(fā)，像蛛網(wǎng)般延伸至全身各處——手腳、內(nèi)臟、血管、皮膚……幾乎沒有一塊組織是它們未曾涉足的。

這個系統(tǒng)主要由脊神經(jīng)、腦神經(jīng)、交感與副交感神經(jīng)等構(gòu)成，承擔著關(guān)鍵的雙向通信任務(wù)。向外傳遞運動指令、內(nèi)臟調(diào)節(jié)信號，向內(nèi)回傳溫度、觸覺、痛覺等感知信息。沒有它，大腦將如同閉塞的信息孤島，感知不了世界，也無法指揮身體運作。

然而，令人驚訝的是，這套龐大的神經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)，長期以來卻是解剖學和神經(jīng)科學中的模糊地帶，對周圍神經(jīng)系統(tǒng)，很多時候我們?nèi)酝Ａ粼凇笆疽鈭D”的水平。

這并非科學家不夠努力，而是看見這套系統(tǒng)本身就極其困難，主要原因有四點：

它太“長”了。相比集中在顱腔內(nèi)的大腦，周圍神經(jīng)遍布全身，單根神經(jīng)可能橫跨數(shù)厘米甚至幾十厘米，遠遠超出常規(guī)顯微鏡的觀察范圍。

它太“細”了。周圍神經(jīng)中的很多纖維直徑僅為幾微米，尤其是自主神經(jīng)系統(tǒng)中的細軸突，常常隱藏在血管、肌肉和器官之間，極難辨認。

它太“隱蔽”了。神經(jīng)往往嵌入在高密度、不透明的組織中，如骨骼、脂肪、腸系膜等，傳統(tǒng)光學顯微成像依賴光線穿透樣本，但神經(jīng)周圍的不透明組織會散射光線，導致成像模糊。

它太“復雜”了。周圍神經(jīng)不僅種類多、走向雜亂，還常常存在交叉、繞行、分支再分支的情況，想要全面繪制其地圖，技術(shù)挑戰(zhàn)堪比大海撈針。

正因如此，我們對周圍神經(jīng)系統(tǒng)的認知，長期依賴解剖切片和低分辨率的組織染色。這就像地鐵線路圖打上了馬賽克，只能看到大致的走向，卻看不到每一站的細節(jié)。這也限制了我們對許多疾病制的深入理解。

如何讓一只小鼠“透明”又“高清”？

要真正看清周圍神經(jīng)系統(tǒng)，關(guān)鍵不在于放大，而在于穿透。就像用望遠鏡看星星時必須穿透大氣層的擾動，想要在組織深處看到清晰的神經(jīng)細節(jié)，首先要跨過一個物理層面的障礙——本身并不透明的生物組織。

絕大多數(shù)動物體內(nèi)組織富含脂肪、蛋白質(zhì)等成分，這些結(jié)構(gòu)密度不均，折射率各異，會讓光線在穿透過程中散射、偏折甚至吸收，從而造成圖像模糊。因此，即便使用高分辨率顯微鏡，拍攝到的畫面依舊“霧氣騰騰”。

這就需要一種透明化技術(shù)，把組織內(nèi)部的脂質(zhì)、色素等阻礙光傳輸?shù)某煞秩コ屨麄€樣本變得如琉璃般通透，而組織中的蛋白質(zhì)、神經(jīng)元、血管結(jié)構(gòu)仍能被保留。

在這項研究中，中國科學技術(shù)大學的科研團隊開發(fā)了一整套名為ARCHmap的樣本處理流程，利用的是一種改良的水基組織清除方法（CUBIC-LH），再輔以水凝膠包埋與折射率匹配液PuClear，最終實現(xiàn)了全身組織的均勻清澈化處理。

使用水基組織清除方法使小鼠變透明

（圖片來源：參考文獻[1]）

但是透明只是第一步，真正的挑戰(zhàn)是如何快速又精細地掃描小鼠的整個身體。團隊采用的是他們此前開發(fā)的高通量成像平臺——blockface-VISoR系統(tǒng)。這是一個結(jié)合切片、光學成像和自動拼接算法的復合式技術(shù)平臺。它的核心思路非常巧妙：不是先把樣本切片再成像，而是邊切邊拍、邊拍邊拼。

D為Blockface-VISoR裝置，D1為D中成像區(qū)域的放大圖，E為裝置的成像和切片模塊的橫截面

（圖片來源：參考文獻[1]）

操作過程有點像“3D打印的反過程”。傳統(tǒng)3D打印是通過逐層添加材料來構(gòu)建物體（如從底部開始，每鋪一層塑料就疊加新的一層）。而這項技術(shù)恰恰相反——它采用“逐層剝離+成像”的策略：先把一只成年小鼠的身體整體固定在特殊裝置中，每次僅對暴露在表面的600微米深度進行高速成像，然后自動切除400微米組織，接著掃描下一層，如此循環(huán)，直到從頭到尾全部掃描完畢。

成像部分則采用了VISoR技術(shù)，也就是同步掃描-實時讀取體積成像系統(tǒng)。成像速度可達每秒200幀，在不犧牲分辨率的情況下完成亞細胞尺度三維掃描，一個小鼠全身約需200個成像循環(huán)，總耗時僅40小時。高分辨率和大量的掃描次數(shù)，使得單個樣本就能產(chǎn)生70TB的原始圖像數(shù)據(jù)，團隊累計采集的樣本總量已經(jīng)超過4P。

此外，為了確保掃描的圖像能精準拼接，研究人員還設(shè)計了三維自動重構(gòu)算法。利用圖像間重疊區(qū)域進行匹配，并應(yīng)用非剛性配準策略對組織形變進行修正，使得各層圖像能無縫拼接成一個連續(xù)的三維結(jié)構(gòu)。

小鼠全身三維重建的圖像處理流程

（圖片來源：參考文獻[1]）

最終，研究團隊不僅讓老鼠“透明”，還把每根神經(jīng)都拍清楚了，其中包括腦神經(jīng)、脊神經(jīng)、迷走神經(jīng)、交感神經(jīng)、血管、骨骼和各個內(nèi)臟器官之間的連接細節(jié)，幾乎是前所未有的全景圖像。

小鼠全身的亞細胞級三維成像流程

（圖片來源：參考文獻[1]）

一張全景神經(jīng)地圖背后的突破

這次中國科學技術(shù)大學團隊的研究，之所以備受矚目，不僅因為他們攻克了透明化與成像技術(shù)的難關(guān)，更因為他們第一次在整只動物的尺度上，繪制出細致入微的神經(jīng)連接圖譜。在這些成果中，有幾個關(guān)鍵突破值得單獨拎出來說說：

亮點一：191根脊髓神經(jīng)纖維的完整追蹤

在傳統(tǒng)解剖中，脊髓神經(jīng)錯綜復雜，左右各31對，但我們能清楚看到的，往往只是主干和部分分支。而此次研究中，科研人員完整地重建了小鼠191根脊神經(jīng)元的全路徑，包括運動神經(jīng)和感覺神經(jīng)、腹側(cè)支與背側(cè)支等。

更令人驚奇的是，這些纖維不僅長度可達8厘米，還展現(xiàn)出豐富的形態(tài)差異：有些呈現(xiàn)長距離的V形回轉(zhuǎn)，有些緊貼皮膚組織平行走行，有些在進入肌肉前進行多重分叉形成密集終末結(jié)構(gòu)。

小鼠體內(nèi)脊神經(jīng)和血管的3D視圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

亮點二：交感神經(jīng)的全身伴血管分布圖譜

交感神經(jīng)系統(tǒng)是自主神經(jīng)的一部分，負責調(diào)控如心率、血壓、排汗、腸蠕動等基本生理活動，但由于其纖維極細且嵌在深層組織中，以往研究多僅限于單個器官或局部區(qū)域?？蒲腥藛T通過抗酪氨酸羥化酶（TH）抗體標記，結(jié)合透明化和成像系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了整只成年小鼠交感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可視化。

脊柱（F）、左腿（G）交感神經(jīng)和血管的3D視圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

研究發(fā)現(xiàn)，交感神經(jīng)呈現(xiàn)出與血管高度一致的“伴行”模式，它們像藤蔓纏繞在血管周圍，分布在心臟、腎臟、脾臟、胰腺、腸道等幾乎所有內(nèi)臟，甚至深入骨髓、腎小球和胰島等微結(jié)構(gòu)中。更有趣的是，在胃腸道，交感神經(jīng)反而呈現(xiàn)出獨立網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與血管走向脫耦，這提示了其在調(diào)控平滑肌運動方面的特殊角色。

亮點三：迷走神經(jīng)單纖維級別的復雜投射路徑

迷走神經(jīng)是腦神經(jīng)中的“主干道”，控制著咽喉、食管、心肺以及大部分腹部內(nèi)臟的感覺和運動功能。過去由于其深藏路徑復雜，相關(guān)研究多依賴低分辨率的示意性描繪。

在本研究中，科研人員通過腺相關(guān)病毒（AAV）標記特定神經(jīng)元，并使用稀疏追蹤策略，首次實現(xiàn)了對單根迷走神經(jīng)纖維從腦干出發(fā)、穿過頸部、胸腔、膈肌、到達胃腸的完整三維可視化。令人驚訝的是，這些纖維在軀體內(nèi)往往呈現(xiàn)出頻繁交叉、長距離繞行、甚至U型回折的投射路徑

獨立迷走神經(jīng)細胞的完整投射路徑的3D重建

（圖片來源：參考文獻[1]）

除此之外，研究所使用的這套成像系統(tǒng)不僅適配轉(zhuǎn)基因熒光標記，也兼容抗體免疫染色和病毒追蹤等常用神經(jīng)科學工具，這意味著研究人員可以按需標記不同類型的神經(jīng)或特定通路，為未來構(gòu)建完整的全身神經(jīng)元地圖提供了極大靈活性。

一張全身神經(jīng)地圖的意義何在？

這項全身亞細胞分辨率成像技術(shù)，不只是一次圖像技術(shù)的突破，它更為多個神經(jīng)科學與生物醫(yī)學領(lǐng)域提供了一套前所未有的系統(tǒng)級參考坐標。

這項技術(shù)最直接的應(yīng)用，是為神經(jīng)疾病研究提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)。比如慢性神經(jīng)痛、自主神經(jīng)功能紊亂、迷走神經(jīng)刺激療法等，長期缺乏對病灶神經(jīng)的清晰定位。而如今，研究者能精確追蹤單根神經(jīng)纖維的走向與終點，為機制研究與個性化治療帶來新可能。

在器官神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域，這張圖譜也能發(fā)揮“導航圖”的作用。無論是治療高血壓的交感神經(jīng)消融術(shù)，還是調(diào)節(jié)胃腸功能的迷走神經(jīng)刺激，都依賴對神經(jīng)—器官關(guān)系的精準掌握。本研究繪制的神經(jīng)與血管、內(nèi)臟共定位圖，為這些干預手段提供了空間參考。

此外，完整的神經(jīng)結(jié)構(gòu)圖譜也將為神經(jīng)工程與仿生設(shè)計提供基礎(chǔ)模板，比如開發(fā)義肢控制接口、設(shè)計神經(jīng)假體，甚至模擬器官的神經(jīng)支配模式。研究團隊也指出，該平臺未來可用于發(fā)育生物學與比較解剖研究，成為標準化的三維神經(jīng)解剖工具。

總結(jié)

我們對周圍神經(jīng)系統(tǒng)的認知，曾長期局限于模糊的示意圖，而我國科學家實現(xiàn)的這項小鼠全身亞細胞成像技術(shù)，則首次讓科學家真正看見了那張深藏于體內(nèi)、支配著生命活動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。從一根根神經(jīng)纖維的走向，到自主神經(jīng)在器官間的分布邏輯，這項技術(shù)為神經(jīng)科學打開了一個全新的維度——全景、高清、系統(tǒng)級。

無論是探究疾病機理、設(shè)計干預靶點，還是建立仿生神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模板，都需要這樣一套真實、可量化的神經(jīng)地圖作為基礎(chǔ)。未來，也許正是從這一層層透明切片中，我們才能真正解碼大腦與身體的聯(lián)系邏輯。

參考文獻：

[1] Shi, Mei-Yu, et al. “High-speed mapping of whole-mouse peripheral nerves at subcellular resolution.”bioRxiv(2025): 2025-01.

[2] Elenkov, Ilia J., et al. “The sympathetic nerve—an integrative interface between two supersystems: the brain and the immune system.” Pharmacological reviews 52.4 (2000): 595-638.

[3] Irimia, Andrei, and John Darrell Van Horn. “Mapping the rest of the human connectome: atlasing the spinal cord and peripheral nervous system.”Neuroimage225 (2021): 117478.

出品：科普中國

作者：邵文亞博士(福建醫(yī)科大學副教授)；楊超博士(中國科普作家協(xié)會會員)

監(jiān)制：中國科普博覽