中研院陳壁彰研究員團隊，使用聚丙烯酸鉀，開發新型膨脹顯微術，讓腦組織「放大」六萬四千倍，可辨識出神經細胞之間極微小的突觸，未來有望應用在病理切片、病毒結構研究等領域，助攻精準診斷。該研究於近期刊登於《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

國科會自然處長賴明治表示，在國科會相關計畫的支持下，陳壁彰團隊開發出超高解析度光學成像技術「聚丙烯酸鉀膨脹層光奈米顯微術(KA-ExM)」。此技術巧妙結合「樣品空間放大」與「貝索層光顯微鏡」方法，成功讓科學家以光學顯微鏡進行果蠅全腦的三維成像，解析度高達約 10 奈米，接近電子顯微鏡水準；同時仍保有多色螢光標記等光學成像優勢。

陳壁彰解釋，傳統光學顯微鏡因「繞射極限」所限，解析度僅能到 200 奈米，間距低於 200 奈米以下在顯微鏡中會糊在一起看不清楚。而電子顯微鏡雖能達到更高解析度，但因在真空環境下操作，樣品會脫水乾燥，而無法觀察活體樣品及保留螢光標記，觀察從彩色變黑白。

2014年三位科學家因開發能突破繞射極限的「超解析螢光顯微技術」而榮獲諾貝爾化學獎，也帶動許多發展，但目前技術仍侷限於極少細胞或薄層樣品，對於大型組織的三維立體超解析影像仍是一大挑戰。

而這項創新來自於一個聰明的化學策略：「先把樣品放大再進行觀察」。陳壁彰說，過去相關技術多採用聚丙烯酸鈉，但缺點是其性質太軟、膨脹時容易失去結構穩定性，不適合成像用途，團隊歷時約5年研究，首創改採更穩定的聚丙烯酸鉀（KA）高吸水性聚合物來製作凝膠。

研究團隊將生物樣品固定於凝膠中，如同尿布內常見的高吸水性材料，加水後能大量吸水並均勻膨脹，使樣品放大約 40 倍，整體體積增加達 64,000 倍。因此原本小到難以分辨的奈米結構就被「膨脹放大」，變成在光學顯微鏡下也能清楚辨識。舉例來說，果蠅腦的原始大小僅約 0.5 毫米，經過這樣的膨脹處理後可放大至 1至2 公分，使得觀察整個神經網絡變得可能。

陳壁彰說，樣品放大之後，團隊再搭配「貝索層光顯微鏡」來進行成像，這技術使用特殊的「貝索光束」，能產生極薄且均勻的光片，讓科學家能深入厚重的生物組織進行快速且極低光漂白性的三維成像掃描。
結合這兩項技術後，科學家不僅可看清楚整個果蠅腦的結構，還能辨識出神經細胞之間極微小的突觸，更可看到腦中作為資訊傳遞的「電纜」的突觸支架蛋白與作為「開關插座」般調節資訊傳遞的突觸囊泡，它們負責大腦中訊息的交換，對理解記憶、學習與神經疾病的機制具有關鍵意義。

陳壁彰形容，KA-ExM技術就像以一台兼具廣角與顯微鏡頭的超強相機，可同時拍下整座 101 大樓的外觀全景，又能放大看清楚建築物裡螞蟻窩的細節。這種兼具「大尺度」與「奈米細節」的技術能力可拍出超高解析度的「大腦結構地圖」，既能清楚顯示神經迴路的整體結構，也能追蹤局部突觸因學習、受損或疾病產生的細微變化。

未來技術不僅限適用於果蠅腦，亦具潛力拓展至其他生物樣品，如小鼠腦或人類組織等，深入解析神經迴路與疾病結構變化，其高解析與三維成像能力，科學家能夠以前所未有的細節及立體觀察生物結構，推動基礎與應用科學的持續突破。