冷冻聚焦离子束扫描电子显微镜的应用
由英国伦敦UCL眼科研究所的P. Munro和H. Armer提供。 Courtesy of P. Munro and H. Armer, UCL - Institute of Ophthalmology, London, UK.
概览

体表面扫描电子显微镜

探索案例,激发灵感

体表面扫描电子显微镜(SBF-SEM)利用扫描电子显微镜腔室内的超薄切片机对树脂包埋的生物样品进行大面积的三维超微结构成像。

钻石刀从样品块上切下切片,并通过电子束和背散射电子探测器对暴露的样品表面进行成像。切片和成像过程自动重复,直到在样品Z轴方向上获得所需的或全部序列图像。

拼接并对齐每一张二维图像,以创建样品的三维体积。

了解大脑内部的神经元连接和神经元细胞的形态

大脑是一个复杂的器官,具有数以百万计的神经元连接和信号传递路径。了解大脑组织的结构与功能之间的关系,有助于我们揭示大脑的复杂性,以便切实而全面地了解神经网络的组织机制;长远来看,还可探索如何通过医疗手段治疗某些疾病。体表面扫描电子显微镜(SBF-SEM)是对具有长而细的突起(如树突和轴突)的神经元进行成像和跟踪的理想解决方案。

视频显示了使用体表面扫描电子显微镜采集的小鼠大脑样品的截面图像。使用这种方法所达到的高分辨率在每张单体表面图像上都清晰可见,因此善于识别不同的结构。由美国加州大学圣地亚哥分校的Mark Ellisman教授提供。

使用BSE探测器和体表面成像装置对树脂包埋的小鼠大脑成像的序列图像。

使用BSE探测器和体表面成像装置对树脂包埋的小鼠大脑成像的序列图像。

使用BSE探测器和体表面成像装置对树脂包埋的小鼠大脑成像的序列图像。

使用BSE探测器和体表面成像装置对树脂包埋的小鼠大脑成像的序列图像。

使用BSE探测器和体表面成像装置对树脂包埋的小鼠大脑成像的序列图像。

该图所示为使用BSE探测器和体表面扫描电子显微镜装置对树脂包埋的小鼠大脑成像的序列图像,这是自动化生成高分辨率三维体积过程的一部分。 由马克斯·普朗克佛罗里达研究所的Naomi Kamasawa、日本冈崎国立生理科学研究所的R. Shigemoto提供。

该动画通过从大脑组织的三维数据集中提取的单个切片(x-y)来显示变化的过程。由于三维体积完全重构,因此未直接成像的平面(x-z,y-z)也能实现可视化。共采集75张图像,像素大小为7 nm,切片厚度为15 nm。由美国Jupiter马克斯·普朗克佛罗里达研究所的Naomi Kamasawa和日本冈崎国立生理科学研究所的Ryuichi Shigemoto提供。

可轻松识别单个神经元和细胞区室,并沿着z轴进行追踪。

小鼠大脑

小鼠大脑

小鼠大脑

研究神经生物学样品的神经元网络和突触

由于体表面扫描电子显微镜可提供三维高分辨率成像,因此可对小鼠大脑这类的样品进行成像,以显示单个神经元和细胞区室。该样品使用体表面扫描电子显微镜成像,75张序列图像,像素大小为7 nm,切片机设置为每个切片厚度15 nm。

小鼠大脑(培养的海马神经元表达用于染色突触后致密物的PSD95-APEX2)

小鼠大脑(培养的海马神经元的表达PSD95-APEX2用于染色突触后致密物)

小鼠大脑(培养的海马神经元表达用于染色突触后致密物的PSD95-APEX2)

探索培养的海马神经元,以了解神经元形态和网络

对细小的树突、轴突、细胞突起和单个神经元之间的连接等结构的高分辨率成像,是基本掌握神经元形态和网络的关键。
图像显示了培养海马神经元三维数据集中的单个切片,该神经元表达用于染色突触后致密物的PSD95-APEX2(箭头所示)。该图像使用体表面扫描电子显微镜和Focal Charge Compensation技术采集。由于消除了荷电效应,因此可以看到高分辨率的细胞超微结构,如:细小的树突和连接。由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心NCMIR提供。

研究轴突髓鞘化,认识多发性硬化症和帕金森病

轴突髓鞘化在多发性硬化和帕金森病等疾病条件下会发生改变。电子显微图提供的高分辨率信息足以计算单个髓鞘层的层数和测量髓鞘总厚度。这些样品结构的稀疏性意味着存在大面积的非导电性裸露树脂,这会导致明显的荷电效应。使用Focal Charge Compensation技术可消除荷电效应,这意味着您可在所有三个维度上实现高分辨率成像。

当使用扫描电子显微镜对生命科学样品进行成像时,荷电效应可能会导致严重问题,因为荷电效应会明显削弱图像质量。当在高真空和不使用Focal Charge Compensation技术的情况下对大鼠轴突束进行成像时,荷电效应清晰可见。相反,当使用Focal Charge Compensation技术采集图像时,即使在大面积裸露树脂中也无法看见荷电效应。图像显示了不同放大倍率下直径约300微米的轴突束(由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供)。

  • 在不使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应非常明显。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。
  • 在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。
  • 在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

  • 在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

  • 在不使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应非常明显。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在不使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应非常明显。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在不使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应非常明显。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在不使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应非常明显。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在不使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应非常明显。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

  • 在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

  • 在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

  • 在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

    在使用Focal Charge Compensation技术情况下,于高真空扫描电子显微镜中对大鼠轴突束进行成像。荷电效应得到缓解。图像由美国加州大学圣地亚哥分校国家显微镜和成像研究中心(NCMIR)提供。

该动画使用体表面成像和Focal Charge Compensation技术显示大鼠脊髓单个切片(x-y)的变化过程。轴突髓鞘内的单个片层以及原始数据集中的微管和其他细胞器都清晰可见。

髓鞘层

髓鞘层

髓鞘层

髓鞘层

髓鞘层

这张体表面扫描电子显微镜图像提供的高分辨率信息足以计算单个髓鞘层的层数和测量髓鞘总厚度。使用Focal Charge Compensation技术采集的图像,即使在大面积裸露树脂中也无法看见荷电效应。

辨识大脑样品中的星形胶质细胞

标有星形胶质细胞的大脑样品

该大脑样品已使用体表面扫描电子显微镜成像。可在三维中轻松识别、显示及分割星形胶质细胞(蓝绿色)。由英国伦敦UCL眼科研究所的P. Munro和H. Armer提供。

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