中國科學家成功研製新一代微型顯微鏡

歷經3年多的協同奮戰，北京大學聯合中國人民解放軍軍事醫學科學院組成跨學科團隊，成功研製新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡，重量僅為2.2克。該科研團隊通過這一微型顯微鏡獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經元和神經突觸活動清晰、穩定的圖像。原始論文於5月29日在線發表於《自然》雜誌子刊Nature Methods。

5月31日上午的發布會上，程和平院士進行了詳細介紹。新一代微型化雙光子熒光顯微鏡體積小，重僅2.2克，適於佩戴在小動物頭部顱窗上，實時記錄數十個神經元、上千個神經突觸的動態信號。

在大型動物上，還可望實現多探頭佩戴、多顱窗不同腦區的長時程觀測。相比單光子激發，雙光子激發具有良好的光學斷層、更深的生物組織穿透等優勢，其橫向解析度達到0.65μm，成像質量與商品化大型台式雙光子熒光顯微鏡可相媲美，遠優於目前領域內主導的、美國腦科學計劃核心團隊所研發的微型化寬場顯微鏡。

採用雙軸對稱高速微機電系統轉鏡掃描技術，成像幀頻已達40Hz（256*256像素），同時具備多區域隨機掃描和每秒1萬線的線掃描能力。此外，採用自主設計可傳導920nm飛秒激光的光子晶體光纖，該系統首次實現了微型雙光子顯微鏡對腦科學領域最廣泛應用的指示神經元活動的熒光探針（如GCaMP6）的有效利用。 同時採用柔性光纖束進行熒光信號的接收，解決了動物的活動和行為由於熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。未來，與光遺傳學技術的結合，可望在結構與功能成像的同時，精準地操控神經元和神經迴路的活動。

微型化雙光子熒光顯微成像改變了在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結構的方式，可用於在動物覓食、哺乳、跳台、打鬥、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，或者在學習前、學習中和學習後，長時程觀察神經突觸、神經元、神經網路、遠程連接的腦區等多尺度、多層次動態變化。

《中國科學報》記者了解到，該成果在2016年底美國神經科學年會、2017年5月冷泉港亞洲腦科學專題會議上報告後，得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內的國內外神經科學家的高度讚譽。

冷泉港亞洲腦科學專題會議主席、美國著名神經科學家加州大學洛杉磯分校的Alcino J Silva教授在評述中寫道，「從任何一個標準來看，這款顯微鏡都代表了一項重大技術發明，必將改變我們在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結構的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經元和樹突成像。系統神經生物學正在進入一個新的時代，即通過對細胞群體中可辨識的細胞和亞細胞結構的複雜生物學事件進行成像觀測，從而更加深刻地理解進化所造就的大腦環路實現複雜行為的核心工程學原理。毫無疑問，這項非凡的發明讓我們向著這一目標邁進了一步。」

據悉，目前，該研發團隊正在領銜建設「多模態跨尺度生物醫學成像」十三五國家重大科技基礎設施，積极參与即將啟動的中國腦科學計劃。可以期待，微型化雙光子熒光顯微成像系統將為實現「分析腦、理解腦、模仿腦」的戰略目標發揮不可或缺的重要作用。

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