我國科學家研制出多色微型化雙光子顯微鏡
多色微型化雙光子顯微鏡探頭示意圖。北京信息科技大學供圖
你了解大腦嗎？作為自然界最復雜的系統之一，大腦由數百億神經元與數百萬億神經突觸協同運作。如何在生物體自然的行為狀態下，實現對大腦深處的清晰觀測，一直是腦科學研究的難題。
中國科學院院士、北京大學教授程和平，北京大學副教授王愛民團隊與北京信息科技大學教授吳潤龍團隊前段時間成功研制出多色微型化雙光子顯微鏡，首次實現對自由活動小鼠高分辨率的深腦雙光子彩色成像。
“就像從黑白B超升級到彩超，現在我們能對大腦進行‘彩色直播’了。”程和平院士介紹，這項技術將極大地推動對腦功能神經環路的解析，為揭示腦疾病的病理機制以及未來類腦智能的發展奠定基礎。相關研究成果發表于國際期刊《自然—方法》。
2014年，程和平院士牽頭啟動國家重大儀器專項“超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統”的研發，歷經10余年完成4次技術迭代：第一代2.2克微型化雙光子顯微鏡，首次實現自由活動小鼠神經突觸清晰穩定的功能成像；第二代系統將視野擴大7.8倍，并具備三維成像能力；第三代系統采用三光子熒光成像原理，實現自由行為小鼠深腦海馬區觀測；而最新問世的第四代系統，在多色激發、深腦成像與多尺度觀測3個維度齊頭并進，實現了標志性的技術突破。
“過去受空芯光纖功能限制，只能用微型顯微鏡看單種類型細胞。現在不同類型細胞都可用不同顏色的熒光蛋白標記，就能清楚看到多種細胞間的復雜行為，研究其如何協同互作。”吳潤龍介紹。
微型化雙光子顯微成像是一種基于雙光子吸收和熒光激發的非線性光學成像技術，其關鍵部件之一是空芯光纖。團隊成功研制出的700—1060納米超寬帶反諧振空芯光纖，一舉解決了傳統帶隙空芯光子晶體光纖僅支持單色激光的限制，使得多波長飛秒脈沖激光得以低損耗、低色散地傳輸，為同時觀測多種細胞功能結構奠定了物理基礎。
“通過它，阿爾茨海默病模型小鼠的腦部細胞和細胞器動態可清晰呈現。”研究團隊成員邱姍介紹，在這款顯微鏡的觀測下，紅色的神經元鈣信號、綠色的線粒體鈣信號、藍色的淀粉樣斑塊疊加成像，直觀揭示出疾病早期的細胞變化規律，為神經疾病機理研究提供了關鍵觀測依據。
除了多色成像，這款顯微鏡還在兩個關鍵性能上實現突破：其一，通過精密光學設計，成像深度超過850微米，是此前微型化雙光子技術的3倍，可透視小鼠大腦皮層深層結構；其二，設計3款可快速切換的齊焦物鏡，30秒即可完成“廣角全景”與“精微特寫”的切換，滿足跨尺度研究需求。
“國際上從2001年就開始研發類似技術，但此前一直未實現廣泛應用。”吳潤龍介紹，我國團隊不僅突破了光纖與光學設計技術，還實現了全鏈條國產化。目前，該技術已成功轉化，出口至多個國家。
談及下一步研究計劃，吳潤龍表示，團隊已有明確方向：一方面融合光遺傳技術，實現“讀”“寫”閉環——不僅能“讀取”神經元電活動，還能通過光刺激“操控”特定神經元，比如讓靜止的小鼠啟動運動，或讓運動中的小鼠停止，為光學腦機接口研究奠定基礎；另一方面，將成像速度從每秒10—20赫茲提升至千赫茲，實現大腦電活動的實時“影像記錄”。
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