台灣中央研究院應用科學研究中心陳壁彰研究員團隊開發出超高解析度光學成像技術「聚丙烯酸鉀膨脹層光納米顯微術（KA-ExM）」，讓腦組織「放大」64,000倍，為全球首創，並登上國際期刊《自然通訊》。
台灣團隊技術突破：看見大腦突觸的納米細節
台灣團隊周三（11日）舉行學術成果系列記者會，台灣團隊自然處處長賴明治、中研院應用科學研究中心研究員陳壁彰、中研院細胞與個體生物學研究所博士林子暘出席。
賴明治表示，一個「讓腦組織放大」的技術突破成功讓光學顯微鏡看到納米尺度的神經世界。在台灣團隊相關計劃的支持下，陳壁彰團隊近期於《自然通訊》（Nature Communications）期刊發表突破性的研究——開發出超高解析度光學成像技術 「聚丙烯酸鉀膨脹層光納米顯微術（KA-ExM）」。
賴明治說，此技術巧妙結合「樣品空間放大」與「貝索層光顯微鏡」方法，成功讓科學家以光學顯微鏡進行果蠅全腦的三維成像，解析度約10納米，接近電子顯微鏡水準；同時仍保有多色螢光標記等光學成像優勢。
陳壁彰說，傳統光學顯微鏡因「繞射極限」所限，解析度僅能到200納米，間距低於200納米，在顯微鏡中會糊在一起看不清楚。而電子顯微鏡雖能達到更高解析度，但因在真空環境下操作，樣品會脫水乾燥，無法觀察活體樣品或呈現螢光標記的彩色效果。
陳壁彰表示，2014年三位科學家因開發能突破繞射極限的「超解析螢光顯微技術」而榮獲諾貝爾化學獎，也帶動許多發展，但目前技術仍侷限於極少細胞或薄層樣品，對於大型組織的三維立體超解析影像仍是一大挑戰。
「這項創新來自於一個聰明的化學策略：先把樣品放大再進行觀察」。研究團隊使用「聚丙烯酸鉀（KA）」的高吸水性聚合物來製作凝膠，之後將生物樣品固定於凝膠中，如同尿布內常見的高吸水性材料，加水後能大量吸水並均勻膨脹，使樣品放大約40倍，整體體積增加達64,000倍。因此原本小到難以分辨的納米結構就被「膨脹放大」，變成在光學顯微鏡下也能清楚辨識。
團隊舉例說，果蠅腦的原始大小僅約0.5毫米，經過這樣的膨脹處理後可放大至10～20毫米，使得觀察整個神經網絡變得可能。樣品放大之後，團隊再搭配「貝索層光顯微鏡」來進行成像，這技術使用特殊的「貝索光束」，能產生極薄且均勻的光片，讓科學家能深入厚重的生物組織進行快速且極低光漂白性的三維成像掃瞄。
結合這兩項技術後，科學家不僅可看清楚整個果蠅腦的結構，還能辨識出神經細胞之間極微小的突觸，更可看到腦中作為資訊傳遞的「電纜」的突觸支架蛋白與作為「開關插座」般調節資訊傳遞的突觸囊泡，它們負責大腦中訊息的交換，對理解記憶、學習與神經疾病的機制具有關鍵意義。
更廣大的應用潛力
陳壁彰表示，KA-ExM技術同時具備高解析能力，更能涵蓋大尺度影像及超高空間解析範圍。就像以一台兼具廣角與顯微鏡頭的超強相機，可同時拍下整座101大樓的外觀全景，又能放大看清楚建築物裏螞蟻窩的細節。
陳壁彰說，這種兼具「大尺度」與「納米細節」的技術能力可拍出超高解析度的「大腦結構地圖」，既能清楚顯示神經迴路的整體結構，也能追蹤局部突觸因學習、受損或疾病產生的細微變化。
他表示，未來技術不僅限適用於果蠅腦，亦具潛力拓展至其它生物樣品，如小鼠腦或人類組織等，深入解析神經迴路與疾病結構變化。其高解析與三維成像能力使科學家能夠以前所未有的細節及立體觀察生物結構，推動基礎與應用科學的持續突破。#
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