Nature Methods
非破坏性X射线断层扫描实现脑组织超微结构成像

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该研究通过非破坏性X射线断层扫描技术，结合低温稳定样品台、非刚性断层重建算法及核工业级环氧树脂，成功克服了高剂量X射线导致组织样本变形与解体的难题。在不切片的条件下，实现了亚-40 nm各向同性分辨率，成功识别出小鼠脑组织中的轴突束、树突和突触结构，为全器官高分辨率成像提供了一种新途径。

 

文献概述
本文《Nondestructive X-ray tomography of brain tissue ultrastructure》，发表于《Nature Methods》杂志，回顾并总结了利用同步辐射X射线断层扫描技术对生物组织进行高分辨率成像的挑战与进展。当前全器官成像依赖电子显微镜，但其穿透深度有限，需物理切片或离子束研磨，导致连续成像困难。X射线成像具有更深穿透能力，但高剂量X射线会导致组织变形或解体，限制其应用。

背景知识
近年来，X射线断层扫描因其穿透能力强、适用于毫米级样本，被视为替代电子显微镜的潜在技术。然而，X射线剂量与成像分辨率呈四次方关系，高分辨率成像需要极高剂量，易导致样本变形。此外，传统环氧树脂在辐射下易降解，限制其在高剂量成像中的应用。本研究通过引入耐辐射环氧树脂、低温冷冻样品台和非刚性重建算法，显著提升样本耐受性，使突触等关键结构得以在高剂量下清晰成像。研究进一步结合聚焦离子束与电子显微镜进行验证，确认组织超微结构在X射线成像后仍保持完整。这些成果为全器官高分辨率X射线成像提供了可靠的技术路径。

 

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研究方法与实验
研究团队采用多种环氧树脂进行筛选，最终选定一种三功能环氧树脂TGPAP，其具有高交联密度和化学稳定性，嵌入组织后显著提高抗辐射能力。样品在低温（<95 K）条件下进行X射线成像，以减少辐射损伤。同时，研究团队开发了非刚性断层重建算法，用于补偿成像过程中因辐射导致的样本变形。通过多角度投影分割与3D光学流计算，算法能有效恢复因变形而丢失的高频信息，从而提升最终成像分辨率。

关键结论与观点

• 使用TGPAP–DDM环氧树脂可使组织样本耐受超过1.15 × 10¹⁰ Gy的辐射剂量，远超传统环氧树脂的耐受极限。
• 非破坏性X射线成像在3D重建中实现38 nm各向同性分辨率，足以识别突触、树突和轴突等关键神经结构。
• 结合FIB–SEM验证，研究确认突触结构在X射线成像后仍保持完整，突触识别准确率达65–70%，验证了成像的可靠性。
• 研究还指出，使用第四代同步辐射光源和优化成像几何结构（如层析成像）可进一步提升成像分辨率并扩展成像体积。

研究意义与展望
本研究为生物组织的非破坏性高分辨率成像提供了新的技术路线，有望大幅减少传统电子显微镜成像所需的切片和对齐工作，提高成像效率。未来，结合更高亮度X射线源与AI辅助重建算法，可进一步推动该技术在全器官成像中的应用，尤其适用于神经科学、发育生物学及疾病模型研究。

 

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结语
该研究系统性地解决了高剂量X射线成像中的样本变形与化学降解问题，为生物组织的非破坏性高分辨率3D成像提供了可靠方法。通过低温稳定样品台、非刚性重建算法和核工业级环氧树脂的联合应用，研究团队成功实现突触及神经微结构的亚-40 nm成像精度，为连接组学研究提供了新的成像工具。未来，该技术有望在更大样本成像中发挥优势，结合同步辐射升级和AI图像处理，进一步提升成像速度与分辨率，为全器官超微结构研究奠定基础。

 

Carles Bosch, Tomas Aidukas, Mirko Holler, Adrian A Wanner, and Andreas T Schaefer. Nondestructive X-ray tomography of brain tissue ultrastructure. Nature Methods.