研究人員使用裝配有內置連續切片裝置的蔡司場發射掃描電鏡GeminiSEM(點擊查看)對中耳蝸區域進行三維成像，并使用蔡司局部電荷補償器消除荷電效應，以保證高質量和高穩定性的連續圖片采集。
內毛細胞(Inner Hair Cell，IHC)是一種對聽覺感知具有重要作用的高度特異化的細胞。它將聲音的機械振動轉換為電信號，通過細胞底部的帶狀突觸(Ribbon synapse)將信息傳遞給聽神經。
因此，帶狀突觸的功能和結構異質性對傳遞不同聲強的信息至關重要。但在單個內毛細胞中，帶狀突觸的形態和分布是否具有空間梯度，線粒體網絡又如何支持突觸傳遞的局部能量需求等問題仍需科學家們探索。
上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院的華云峰研究員和中國科學院自動化研究所的韓華研究員團隊合作在Neuroscience Bulletin發表了題為“Aligned Organization of Synapses and Mitochondria in Auditory Hair Cells”的研究論文[1]，建立了基于人工智能在三維超顯微電鏡圖像中自動檢測并分割帶狀突觸與線粒體的方法，揭示了內毛細胞兩種亞型在結構和功能上的差異，以及線粒體網絡的組織方式與帶狀突觸的關聯(點擊查看)。
研究人員使用11 x 11 x 40 nm和12 x 12 x 50 nm的分辨率對兩個耳蝸樣品成像，分別獲得了體積為262 x 194 x 100 μm3和215 x 253 x 154 μm3的三維圖像數據。結合圖像自動檢測與分割流程，研究人員對34個內毛細胞進行了三維重構，檢測到643個帶狀突觸和超過5萬個線粒體，并對他們的分布和相互關系進行了全面的三維分析。
▲ 小鼠耳蝸內毛細胞三維電鏡成像與重構。
在體掃描電鏡出現之前，科學家們通常是使用傳統的透射電子顯微鏡觀察內毛細胞的超微結構，但單張超薄切片只能提供二維切面信息。而基于透射電鏡的三維解析則通常受限于重構體積，僅能針對極少量的內毛細胞，無法獲得大體量的超微結構數據。
本項研究中使用的裝配有內置連續切片裝置的蔡司場發射掃描電鏡GeminiSEM，具備一種前沿的體掃描電鏡技術，可實現X,Y方向上2.5nm的更優像素分辨率，并且將將超薄切片(Z方向的)精度進一步提升至15 nm，使得超高分辨的連續三維圖像采集成為可能。該系統同時配備了蔡司局部電荷補償器，在不破壞樣品室高真空環境的前提下通過局部通入氣體的方式對樣品表面積累的電荷進行中和，消除了生物樣品中令人“談之色變“的荷電效應，保證了設備高質量長時程的連續圖片采集，實現自動化、高通量、大體積的高精度三維成像。
▲ 蔡司場發射掃描電鏡GeminiSEM(左)和全自動內置連續切片系統(右)
值得一提的是，研究人員曾使用本篇論文中的三維電鏡數據構建了具有突觸分辨率的小鼠耳蝸神經回路，揭示了內毛細胞與聽神經突觸連接的多樣性和復雜性，結論發表于2021年的Cell Reports(點擊查看)。而在本篇論文中，研究人員針對內毛細胞的帶狀突觸和線粒體網絡進行分析，從結構上揭示了內毛細胞兩種亞型的差異，并建立了內毛細胞內可能的功能域劃分，進一步揭示了聽覺信息傳遞機制的結構基礎[2]。
