Dense 4D nanoscale reconstruction of living brain tissue

纳米尺度 脑组织 生物 计算生物学 纳米技术 神经科学 材料科学
作者
Philipp Velicky,Eder Miguel,Julia M. Michalska,Julia Lyudchik,Donglai Wei,Zudi Lin,Jake F. Watson,Jakob Troidl,Johanna Beyer,Yoav Ben‐Simon,Christoph Sommer,Wiebke Jahr,Alban Cenameri,Johannes Broichhagen,Seth G. N. Grant,Péter Jónás,Gaia Novarino,Hanspeter Pfister,Bernd Bickel,Johann G. Danzl
出处
期刊:Nature Methods [Nature Portfolio]
卷期号:20 (8): 1256-1265 被引量:46
标识
DOI:10.1038/s41592-023-01936-6
摘要

Three-dimensional (3D) reconstruction of living brain tissue down to an individual synapse level would create opportunities for decoding the dynamics and structure-function relationships of the brain's complex and dense information processing network; however, this has been hindered by insufficient 3D resolution, inadequate signal-to-noise ratio and prohibitive light burden in optical imaging, whereas electron microscopy is inherently static. Here we solved these challenges by developing an integrated optical/machine-learning technology, LIONESS (live information-optimized nanoscopy enabling saturated segmentation). This leverages optical modifications to stimulated emission depletion microscopy in comprehensively, extracellularly labeled tissue and previous information on sample structure via machine learning to simultaneously achieve isotropic super-resolution, high signal-to-noise ratio and compatibility with living tissue. This allows dense deep-learning-based instance segmentation and 3D reconstruction at a synapse level, incorporating molecular, activity and morphodynamic information. LIONESS opens up avenues for studying the dynamic functional (nano-)architecture of living brain tissue.

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