登上Cell子刊封面：林睿/羅敏敏合作開發神經元高亮標記技術，建立新一代單神經元重構平臺

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

哺乳動物的大腦是一個錯綜復雜的神經元回路網絡，由數十億個神經元通過數以萬億計的突觸相互連接而成。在這個復雜的結構中，單個神經元在形態、轉錄身份和功能作用方面表現出顯著的異質性。揭開大腦的組織原則和功能連接性需要具備單細胞分辨率的方法學，以捕捉這種多樣性。

基因標記、高分辨率成像和計算分析方面的最新進展，極大地促進了在哺乳動物系統中對整個大腦神經元形態的重建工作。這些進展為了解介觀尺度（即細胞水平）的連接性和支撐大腦功能的結構模式提供了關鍵見解。然而，要想生成具有單神經元分辨率的全面大規模腦圖譜，仍需在標記準確度和成像效率方面取得進一步創新。

近日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院林睿實驗室與北京腦科學與類腦研究所羅敏敏實驗室合作，在 Cell 子刊Neuron上發表了題為：Ultrabright Chemical Labeling Enables Rapid Neural Connectivity Profiling in Large Tissue Samples 的研究論文，該論文還被選為當期封面論文。

該研究提出了一種高亮的小鼠全腦/全身神經元快速化學熒光標記方法——LINCS（Labeling Individual Neurons with Chemical dyes and Controllable Sparseness）。該方法兼容組織透明化方法與光片顯微成像技術，并簡化了樣本制備流程，實現快速、高亮且均勻的標記。同時，該研究開發了穩定稀疏度的神經元稀疏標記策略，通過將 LINCS 與不同的稀疏標記策略結合，建立了新一代基于光片顯微成像的全腦單神經元重構方案。

該研究提出了 LINCS，它克服了當前神經解剖學繪圖方法在速度、信號穩健性和可擴展性方面的關鍵限制。LINCS 利用一種溶解度增強的 TurboID（seTurboID）在特定類型的神經元中產生廣泛的生物素化標記。這些生物素標記隨后通過快速整體染色被熒光團偶聯的單鏈鏈霉親和素識別，從而產生超亮信號，適用于光片成像和后續的連接分析——從單個神經元到透明化組織中的全身神經回路。該封面圖片隱喻地描繪了這一過程：一位穿越黑暗稻田的旅行者手持一盞燈籠（代表seTurboID），燈籠里裝的是發光的螢火蟲（代表生物素分子）。當螢火蟲飛出時，它們照亮了道路，象征著被 LINCS 明亮標記的精細神經元軸突。

全面繪制整個神經系統的神經元連接圖譜仍然是神經科學領域的一項基礎性挑戰。

在這項新研究中，研究團隊介紹了一種名為LINCS（基于化學染料與可控稀疏度的單神經元標記）的新技術，能夠實現對小鼠全腦及全身特定細胞類型的快速、超亮且光穩定的標記。

LINCS利用鄰近標記（proximity labeling）方法，通過結合 Cre 依賴型 AAV 與特定 Cre 轉基因小鼠品系，在神經元中表達可溶性增強型工程化生物素連接酶（solubility-enhanced TurboID，簡稱為seTurboID），并為小鼠提供生物素飲水。生物素擴散入細胞后被 seTurboID 催化，共價標記至胞內蛋白，完成神經元的高效在體內的生物素化。隨后，LINCS 通過熒光染料偶聯的鏈霉親和素（Streptavidin）進行全腦染色，將生物素標記轉化為熒光信號，從而實現細胞類型和神經環路特異性的靶向神經元標記。

結合組織透明化與光片顯微鏡技術，該體系構建了可高效解析中樞神經系統與外周神經系統中長程神經元投射的完整方案。此外，研究團隊還開發了基于 CRISPR-Cas9 介導 Cre 敲除的腺相關病毒（AAV）策略，實現穩定的稀疏標記，從而支持大規模的單神經元精細形態重建。

總的來說，該研究開發的 LINCS 技術，通過創新性的結合工程化 seTurboID 與單價鏈霉親和素，突破了現有方案在標記速度、信號強度與均勻性以及組織穿透性上的核心瓶頸。LINCS 流程可適配從全腦到全身的跨尺度樣本，并兼容多模態技術，為神經元連接組學研究提供了高效、穩定、易用且可擴展的解決方案。

論文鏈接：

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(25)00657-9