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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该研究通过结合低温稳定样品台、非刚性断层重建算法及核工业环氧树脂，显著提升X射线断层扫描在高分辨率脑组织成像中的应用，突破了传统辐射损伤的限制，实现亚-40纳米各向同性分辨率，为组织超微结构分析提供了新方法。

 

文献概述

本文《Nondestructive X-ray tomography of brain tissue ultrastructure》，发表于《Nature Methods》杂志，回顾并总结了非破坏性X射线断层扫描在脑组织超微结构成像中的应用。该研究通过优化样品制备、成像条件及计算重建方法，成功克服了X射线辐射导致的组织损伤，从而实现高分辨率、连续的3D成像。

背景知识

当前，生物组织高分辨率3D成像主要依赖于电子显微镜技术，但其穿透深度有限，需进行物理切片或聚焦离子束研磨，增加了实验复杂性和信息丢失风险。X射线成像具备更强的穿透能力，理论上可在非破坏条件下成像毫米级样本，但高剂量辐射易导致样品变形和结构破坏，限制其在生物医学中的应用。本研究引入了一种适用于核工业及航空航天的高辐射耐受环氧树脂，并结合低温冷却及非刚性断层重建算法，有效提升了X射线成像的可行性。该方法为全器官3D成像及后续多模态数据关联分析提供了可靠的技术基础，解决了长期存在的辐射损伤问题，具有重要转化潜力。

 

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研究方法与实验

研究团队采用低温稳定的样品台，将样本冷却至低于95 K，以减少辐射引起的结构变形。同时，他们引入非刚性断层扫描重建算法，以补偿X射线照射过程中产生的样品形变。此外，使用了一种专门设计的环氧树脂（TGPAP–DDM），该树脂具有优异的化学稳定性与辐射耐受性，可维持组织结构在极高辐射剂量下仍完整。通过同步辐射X射线源（如ESRF和SLS）进行成像，并结合傅里叶壳层相关分析（FSC）评估成像分辨率，最终在3D重建中实现亚-40 nm各向同性分辨率。

关键结论与观点

• 使用TGPAP–DDM树脂嵌入样本，在总辐射剂量超过1.15 × 10¹⁰ Gy的情况下仍保持组织完整性，无明显结构损伤。
• 3D成像分辨率达到38 nm，可清晰分辨轴突束、树突和突触结构，无需物理切片。
• 通过FIB–SEM验证，突触检测在X射线成像中的召回率为65%，精确度为80%，表明该方法在突触识别上具备较高可靠性。
• 非刚性重建算法有效补偿辐射诱导的样品形变，提升成像质量与分辨率。
• 该方法可广泛应用于不同脑区（如嗅球、海马、大脑皮层）的超微结构成像。

研究意义与展望

本研究突破了X射线成像在生物组织中的应用瓶颈，为高分辨率、非破坏性3D成像提供了可行方案。未来，随着同步辐射光源的进一步优化，该方法有望扩展至更大体积样本的成像，并可能替代传统电子显微镜技术，成为全器官尺度连接组学研究的核心工具。此外，结合AI辅助图像分割与分析，可进一步提升自动化处理能力，加速数据解析与生物学发现。

 

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结语

本研究成功实现了非破坏性X射线断层扫描在亚细胞分辨率下的应用，通过材料、算法和低温条件的综合优化，有效提升了成像剂量耐受性与结构保真度。这一方法为全脑连接组学研究提供了重要的技术支撑，有望推动大尺度生物成像在神经科学、病理学及药物开发中的应用。同时，该技术的普及依赖于第四代同步辐射光源的进一步发展，未来可期。

 

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