新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡成功研制

新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡成功研制

　　進(jìn)入新千年，腦科學(xué)研究成為熱點(diǎn)。工欲善其事，必先利其器。若要更好的探索人類(lèi)大腦，就必須有更好的儀器與工具。近日，研究成果取得進(jìn)展——新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡成功研制。

　　目前,各國腦科學(xué)計劃的一個(gè)核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究工具。 其中,如何打破尺度壁壘,整合微觀(guān)神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)與大腦整 體的活動(dòng)和個(gè)體行為信息，是領(lǐng)域內亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰。

　　近日，自然雜志子刊 Nature Methods 發(fā)布了來(lái)自于中國在這方面的研究進(jìn)展。該論文主要展示了《超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統》的研究成果——新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡成功研制，并獲取了小鼠在自由行為過(guò)程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)清晰、穩定的圖像。

　　該研究成果源自于國家自然科學(xué)基金委員會(huì )計劃局組織的國家重大科研儀器設備研制專(zhuān)項，當時(shí)共有9個(gè)項目入選。北京大學(xué)程和平院士主導的《超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統》就是其中之一，當時(shí)也獲得了7200萬(wàn)元的經(jīng)費支持。

　　過(guò)去三年，北京大學(xué)分子醫學(xué)研究所、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、動(dòng)態(tài)成像中心、生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院，聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫學(xué)科學(xué)院組成跨學(xué)科團隊，完成了的這一研發(fā)工作。團對成功研制新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡,并獲取了小鼠在自由行為過(guò)程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)清晰、穩定的圖像。研究論文2016年12月提交，2017年5月29日正式在自然雜志子刊 Nature Methods 發(fā)布。

　　根據提供的信息，產(chǎn)品相比單光子激發(fā)，雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢，其橫向分辨率達到 0.65μm，成像質(zhì)量可達商品化大型臺式雙光子熒光顯微鏡水平，并優(yōu)于美國所研發(fā)的微型化寬場(chǎng)顯微鏡。該顯微鏡采用雙軸對稱(chēng)高速微機電系統轉鏡掃描技術(shù),成像幀頻已達 40Hz(256*256 像 素),同時(shí)具備多區域隨機掃描和每秒 1 萬(wàn)線(xiàn)的線(xiàn)掃描能力。

　　此外, 采用自主設計可傳導 920nm 飛秒激光的光子晶體光纖,該系統實(shí)現了微型雙光子顯微鏡對腦科學(xué)領(lǐng)域最廣泛應用的指示神經(jīng)元活動(dòng) 的熒光探針(如 GCaMP6)的有效利用。

　　同時(shí)采用柔性光纖束進(jìn)行 熒光信號的接收,解決了動(dòng)物的活動(dòng)和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而 受到干擾的難題。未來(lái),與光遺傳學(xué)技術(shù)的結合,可望在結構與功能 成像的同時(shí),精準地操控神經(jīng)元和神經(jīng)回路的活動(dòng)。

　　值得一提的是，該顯微鏡重僅 2.2 克，可在小動(dòng)物頭部顱窗上,實(shí)時(shí)記錄數十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號；在大型動(dòng)物上，還有望實(shí)現多探頭佩戴、多顱窗不同腦區的長(cháng)時(shí)程觀(guān)測。

　　之所以說(shuō)這一研究成果意義重大，主要是因為它為腦科學(xué)、人工智能學(xué)科的研究提供了重要的高端儀器。具體來(lái)說(shuō)，微型雙光子熒光顯微成像技術(shù)改變了在自由活動(dòng)動(dòng)物中觀(guān)察細胞和亞細胞結構的方式，可用于在動(dòng)物覓食、哺乳、跳臺、打斗、嬉戲、 睡眠等自然行為條件下,或者在學(xué)習前、學(xué)習中和學(xué)習后,長(cháng)時(shí)程觀(guān)察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遠程連接的腦區等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)變化。

　　事實(shí)上，成像技術(shù)一直是推動(dòng)聲明科學(xué)進(jìn)步的主要動(dòng)力。歷史上，X射線(xiàn)、全息照相法、CT計算機斷層成像、電子顯微鏡、MRI核共振成像、超高分辨率顯微成像技術(shù)都推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也都獲得了Nobel獎。

　　在今天的發(fā)布會(huì )之前，該成果在 2016 年底美國神經(jīng)科學(xué)年會(huì )、2017 年 5 月冷泉 港亞洲腦科學(xué)專(zhuān)題會(huì )議上報告后,得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內的國內外神經(jīng)科學(xué)家的認可。冷泉港亞洲腦科學(xué)專(zhuān)題會(huì )議主席、 美國神經(jīng)科學(xué)家加州大學(xué)洛杉磯分校的 Alcino J Silva 教授認為，“ 這款顯微鏡將改變我們在自由活動(dòng)動(dòng)物中觀(guān)察細胞和亞細胞結構的方式……系統神經(jīng)生物學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代,即通過(guò)對細胞群體中可辨識的細胞和亞細胞結構的復雜生物學(xué)事件進(jìn)行成像觀(guān)測,從而更加深刻地理解進(jìn)化所 造就的大腦環(huán)路實(shí)現復雜行為的核心工程學(xué)原理。”

　　編輯點(diǎn)評

　　微型雙光子熒光顯微成像技術(shù)改變了在自由活動(dòng)動(dòng)物中觀(guān)察細胞和亞細胞結構的方式，因為為腦科學(xué)、人工智能學(xué)科的研究提供了重要的高端儀器。