我国科学家研制出多色微型化双光子显微镜
多色微型化双光子显微镜探头示意图。北京信息科技大学供图
你了解大脑吗？作为自然界最复杂的系统之一，大脑由数百亿神经元与数百万亿神经突触协同运作。如何在生物体自然的行为状态下，实现对大脑深处的清晰观测，一直是脑科学研究的难题。
中国科学院院士、北京大学教授程和平，北京大学副教授王爱民团队与北京信息科技大学教授吴润龙团队前段时间成功研制出多色微型化双光子显微镜，首次实现对自由活动小鼠高分辨率的深脑双光子彩色成像。
“就像从黑白B超升级到彩超，现在我们能对大脑进行‘彩色直播’了。”程和平院士介绍，这项技术将极大地推动对脑功能神经环路的解析，为揭示脑疾病的病理机制以及未来类脑智能的发展奠定基础。相关研究成果发表于国际期刊《自然—方法》。
2014年，程和平院士牵头启动国家重大仪器专项“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”的研发，历经10余年完成4次技术迭代：第一代2.2克微型化双光子显微镜，首次实现自由活动小鼠神经突触清晰稳定的功能成像；第二代系统将视野扩大7.8倍，并具备三维成像能力；第三代系统采用三光子荧光成像原理，实现自由行为小鼠深脑海马区观测；而最新问世的第四代系统，在多色激发、深脑成像与多尺度观测3个维度齐头并进，实现了标志性的技术突破。
“过去受空芯光纤功能限制，只能用微型显微镜看单种类型细胞。现在不同类型细胞都可用不同颜色的荧光蛋白标记，就能清楚看到多种细胞间的复杂行为，研究其如何协同互作。”吴润龙介绍。
微型化双光子显微成像是一种基于双光子吸收和荧光激发的非线性光学成像技术，其关键部件之一是空芯光纤。团队成功研制出的700—1060纳米超宽带反谐振空芯光纤，一举解决了传统带隙空芯光子晶体光纤仅支持单色激光的限制，使得多波长飞秒脉冲激光得以低损耗、低色散地传输，为同时观测多种细胞功能结构奠定了物理基础。
“通过它，阿尔茨海默病模型小鼠的脑部细胞和细胞器动态可清晰呈现。”研究团队成员邱姗介绍，在这款显微镜的观测下，红色的神经元钙信号、绿色的线粒体钙信号、蓝色的淀粉样斑块叠加成像，直观揭示出疾病早期的细胞变化规律，为神经疾病机理研究提供了关键观测依据。
除了多色成像，这款显微镜还在两个关键性能上实现突破：其一，通过精密光学设计，成像深度超过850微米，是此前微型化双光子技术的3倍，可透视小鼠大脑皮层深层结构；其二，设计3款可快速切换的齐焦物镜，30秒即可完成“广角全景”与“精微特写”的切换，满足跨尺度研究需求。
“国际上从2001年就开始研发类似技术，但此前一直未实现广泛应用。”吴润龙介绍，我国团队不仅突破了光纤与光学设计技术，还实现了全链条国产化。目前，该技术已成功转化，出口至多个国家。
谈及下一步研究计划，吴润龙表示，团队已有明确方向：一方面融合光遗传技术，实现“读”“写”闭环——不仅能“读取”神经元电活动，还能通过光刺激“操控”特定神经元，比如让静止的小鼠启动运动，或让运动中的小鼠停止，为光学脑机接口研究奠定基础；另一方面，将成像速度从每秒10—20赫兹提升至千赫兹，实现大脑电活动的实时“影像记录”。
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