精準(zhǔn)捕捉大腦神經(jīng)元與突觸活動的動態(tài)變化是腦科學(xué)研究的核心難題之一。中國科學(xué)家近期自主研制的新一代多色微型化雙光子顯微鏡，僅重2.6克，首次實現(xiàn)自由活動小鼠高分辨率的深腦雙光子彩色成像，為解碼復(fù)雜腦功能機制提供了新工具。

這項歷經(jīng)4年的研發(fā)成果21日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-方法》。

雙光子顯微成像技術(shù)是基于雙光子吸收及激發(fā)熒光的一種非線性光學(xué)成像技術(shù)，其關(guān)鍵器件之一是空心光纖。人們通過光纖內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，將激光約束其中進行傳輸，再打在標(biāo)記熒光的細胞上，從而產(chǎn)生熒光圖像。不同波長的激光其成像顏色不同。而此前的空心光纖只能傳輸單一波長的超快激光，限制了其多色成像能力。

8月20日，研究人員在北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院實驗室準(zhǔn)備給小鼠注射熒光標(biāo)記物。新華社發(fā)

北京大學(xué)程和平、王愛民團隊聯(lián)合北京信息科技大學(xué)吳潤龍團隊自主研發(fā)出一種新型超寬帶空心光纖，具有低損耗、低色散等特點，可實現(xiàn)波長700至1060納米的多種波長的飛秒脈沖激光傳輸，進而研制出多色微型化雙光子顯微鏡。

“這相當(dāng)于給大腦彩色直播神經(jīng)元與細胞器的動態(tài)活動。”吳潤龍說，過去受空心光纖功能限制，只能用顯微鏡看單類型細胞，現(xiàn)在不同類型細胞都可有不同顏色的熒光標(biāo)記，就能清楚看到多種細胞間的復(fù)雜行為，研究其如何協(xié)同互作。

8月20日，吳潤龍（右）與學(xué)生在北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院實驗室討論多色微型化雙光子顯微鏡的應(yīng)用。新華社發(fā)

研究人員給患有阿爾茨海默病的小鼠頭上戴上這種顯微鏡，首次同步捕捉到神經(jīng)元鈣信號、線粒體鈣信號與斑塊沉積的紅、綠、藍三色動態(tài)影像，并在疾病早期階段就觀察到鄰近斑塊的細胞和線粒體活動異?，F(xiàn)象。

團隊還在小鼠腦超820微米深度的皮層，獲得了神經(jīng)元鈣信號與結(jié)構(gòu)成像——這是目前已知在不破壞腦組織情況下所獲得的最深的微型化雙光子顯微鏡成像。此外，顯微鏡鏡頭還成功實現(xiàn)了大視場觀測與高分辨精細成像的無縫轉(zhuǎn)換。

北京大學(xué)國家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任、中國科學(xué)院院士程和平說，多年來，多色熒光標(biāo)記無創(chuàng)深腦成像能力只能在大型臺式設(shè)備上實現(xiàn)，團隊首次解決了微型化雙光子顯微鏡多色激發(fā)成像的難題，為研究大腦復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)帶來突破性進展。未來，該技術(shù)將在理解腦認知原理、腦疾病機制研究、神經(jīng)藥物評估以及腦機接口等領(lǐng)域具廣泛應(yīng)用前景。

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