Nat Methods | 齐晓莉/彭汉川等开发CAB-OLST技术突破全脑成像“魔鬼四角”，开启高精度脑图谱绘制新纪元

全脑尺度上以单细胞分辨率解析复杂的神经网络，是理解大脑功能和疾病的终极挑战之一。然而，传统成像技术长期受困于“速度、分辨率、成像范围、信噪比”之间的“魔鬼四角”，难以兼得。

2025年11月13日，冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）齐晓莉（现任职于北京生命科学研究所）/Pavel Osten团队联合复旦大学彭汉川团队等多个研究机构在Nature Methods在线发表了题为"Confocal Airy beam oblique light-sheet tomography for brain-wide cell type distribution and morphology"的研究论文，推出了一种名为CAB-OLST的全新成像平台。该技术巧妙地集共焦艾里光束、斜光片层析与自动化机械切片于一体，一举突破了现有技术的瓶颈，实现了前所未有的高通量、高分辨率、高信噪比的全脑成像。CAB-OLST不仅能在10小时内完成小鼠全脑细胞类型图谱的绘制，更能以亚微米精度追踪单个神经元的长距离投射，为绘制精细脑联接图谱、乃至赋能更广泛的生命科学研究领域打开了全新的大门。

在探索大脑这个已知宇宙中最复杂系统的征途上，科学家们如同绘制星图的天文学家，渴望拥有一台既能看得清（高分辨率）、又能看得快（高通量）、还能看得全（大范围）的“超级望远镜”。然而，在光学成像领域，一个长期存在的“魔咒”——速度、分辨率、信噪比与成像范围之间的根本性制衡——始终束缚着研究者们的脚步。

想要看得清，就要牺牲速度和范围；想要看得快、看得全，分辨率和信噪比又会大打折扣。传统的光片显微镜（LSFM）虽然以其速度优势在全脑成像中崭露头角，但其固有的“光片越长、分辨率越差”的物理限制，以及在深层组织中信号衰减的难题，使其在面对精细的神经元形态和长程连接时常常力不从心。如何打破这一“魔鬼四角”，铸造一柄能够洞悉全脑奥秘的“利剑”，成为神经科学乃至整个生命科学领域亟待突破的关键瓶颈。

亮出奇招：四大创新融合，铸就成像“神兵”CAB-OLST

面对这一巨大挑战，由冷泉港实验室（现任职于北京生命科学研究所）的齐晓莉博士、复旦大学彭汉川教授和冷泉港实验室Pavel Osten教授领衔的国际合作团队，历经多年攻关，成功研发出一种全新的成像系统——共焦艾里光束斜光片断层扫描技术（Confocal Airy beam oblique light-sheet tomography, CAB-OLST）。这柄“神兵”的威力，源于其四大独门绝技的精妙融合（图1）：

1.艾里光束（Airy beam）光片——看得更远、更均匀：传统高斯光束像手电筒光，近处亮、远处散。CAB-OLST则采用“不会衍射”的艾里光束，形成了一张又长又薄的“光之利刃”，其有效成像范围（景深）比传统高斯光束扩展了10倍以上，从根本上解决了大视场与薄光片难以兼顾的矛盾。

2.虚拟狭缝（Virtual Slit）共焦检测——信噪比与分辨率双重提升：标准Airy光束会产生弯曲和旁瓣，影响图像质量。研究团队通过45°相位旋转产生直线Airy光束，实现了整个成像体积内均匀的点扩散函数。CAB-OLST使用基于滚动快门的虚拟狭缝来抑制旁瓣，无需去卷积处理即可显著提高空间分辨率和信噪比。定量比较显示，共焦检测使神经突的对比度提升了**4.7倍**，胞体对比度提升了**1.2倍**。这种改进不仅显著提升了图像质量，还提高了处理效率，避免了耗时的去卷积计算。

3.iSPIM几何构型——横向扫描无拘无束：传统光片显微镜的物镜相互垂直，如同“十字路口”，限制了样本的移动范围。CAB-OLST采用倒置的开放式设计，为样本台提供了“一马平川”的移动空间，使得横向扫描范围不再受限。

4.自动化机械切片——“削苹果”式层层深入，深度无限：这是CAB-OLST最硬核的创新之一。面对深层组织信号衰减的“天花板”，CAB-OLST采取了最直接也最有效的方式——“边切边拍”。它集成了一个高精度振动切片机，每完成一层数百微米的成像，就如同削苹果皮一样，自动将已成像的表层组织精准移除，确保下一层成像始终在最佳的光学表面进行。如此一来，成像深度理论上变得“无限”，且整个大脑的图像质量都保持如一的高水准。

这套高度整合的系统并非停留在概念验证阶段。其设计简洁稳定，模式切换灵活，**已在冷泉港实验室稳定运行4年，采集了超过40套完整的小鼠全脑数据集，并为NIH脑科学计划（BRAIN Initiative）项目提供了关键的技术支撑**，充分证明了其作为一台高通量成像平台的强大实力与可靠性。

图1 CAB-OLST系统原理。

展示神威：速度与精度兼得，全脑细节尽收眼底

凭借这四大创新，CAB-OLST在全脑成像的多个关键应用场景中展现了无与伦比的性能，将“魔鬼四角”一一击破：

·高精度全脑细胞图谱绘制：传统的细胞图谱绘制如同人工数星星，耗时耗力且精度有限。CAB-OLST展现了惊人的效率——仅需10小时，就能以0.37 × 0.37 × 1.77 µm³的体素大小，完成整个小鼠大脑的细胞类型分布图谱绘制。在Gad2-H2B-GFP小鼠模型中，全脑范围内的抑制性神经元被精准定位和计数，为构建高精度、三维的数字脑图谱提供了强大的自动化工具。

·单神经元长程投射追踪：要理解大脑的“线路图”，就必须能完整追踪单个神经元的“万里长征”。CAB-OLST在此任务中同样表现出色，它能在58小时内，以更高的0.26 × 0.26 × 1.06 µm³体素大小，对稀疏标记的神经元进行全脑、高保真度的追踪。研究团队成功重建了6个同一类型神经元的完整形态，清晰展示了它们从胞体到最末梢轴突的每一个精细结构，揭示了其多样化的投射模式。

·双色成像与亚细胞结构解析：CAB-OLST不仅快和准，还很“细”。它通过巧妙的色散补偿设计，实现了精确的双通道共定位成像，能够同时验证转基因报告蛋白与内源性蛋白标记的表达一致性，为细胞身份的精准鉴定提供了“火眼金睛”。更令人印象深刻的是，在整个鼠脑范围内均一的高达0.77 × 0.49 × 2.61 µm³的光学分辨率，足以清晰分辨树突棘、轴突扣等关键的亚细胞结构，为深入研究突触连接和神经环路的可塑性提供了坚实基础。

展望未来：不止于脑，赋能生命科学广阔疆域

作为一项平台级技术，CAB-OLST的意义远不止于神经科学或者神经成像。它所提供的“高通量、大范围、高分辨率”三位一体的自动化成像与数据分析解决方案，并且平台结构足够简单可靠，且可兼容其他同类型的方法，为众多生命科学领域带来了革命性的机遇：

·肿瘤生物学：可以对厘米级的肿瘤组织进行三维高分辨率成像，精准解析肿瘤微环境中各类免疫细胞、基质细胞与癌细胞的空间交互关系，助力免疫治疗和药物研发。

·发育生物学：能够对整个胚胎或类器官进行长时程、低损伤的活体成像，以单细胞精度追踪细胞谱系、器官形成和组织动态重塑的过程。

·药理学与毒理学：可用于评估药物在整个器官或模式动物体内的分布、靶点结合情况以及引起的细胞和组织层面的响应，为新药筛选和药效评价提供了强大的可视化工具。

·病理学诊断：有望替代传统的2D切片病理分析，通过对活检样本进行快速三维成像，提供更全面、更精准的诊断信息，尤其是在癌症分级、边界判断等方面具有巨大潜力。

总而言之，CAB-OLST的诞生为组织尺度下的高分辨率三维成像提供了一个强大而务实的解决方案。它并非对单一性能的简单提升，而是通过系统性创新，成功解决了速度、分辨率、信噪比与成像范围之间长期存在的内在矛盾。该平台的出现，意味着研究者们如今能够以更高效率获取前所未有的大尺度、高质量数据集，从而加速对精细生命结构图谱的绘制和对复杂疾病机制的理解。展望未来，CAB-OLST作为一个稳健且高效的平台，有望显著降低大规模三维成像的技术门槛，使其成为更多实验室研究复杂生物学问题的常规工具，从而推动整个领域的进步。

https://www.nature.com/articles/s41592-025-02888-9

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