开启脑科学“彩色视界”：我国成功研制多色微型化双光子显微镜

 8月20日,研究人员在北京大学未来技术学院实验室准备给小鼠注射荧光标记物。新华社发

 新华社北京8月21日电(记者魏梦佳)历经4年研发,我国科学家自主研制出仅重2.6克的新一代多色微型化双光子显微镜,首次实现自由活动小鼠高分辨率的深脑双光子彩色成像,为解码复杂脑功能机制提供了新工具。该成果21日在《自然-方法》上在线发表。

 双光子显微成像技术是基于双光子吸收及激发荧光的一种非线性光学成像技术,其关键器件之一是空心光纤。通过光纤内部微结构,将激光约束其中进行传输,再打在标记荧光的细胞上,从而产生荧光图像。不同波长的激光其成像颜色不同。此前的空心光纤只能传输单一波长的超快激光,限制了其多色成像能力。

 8月20日,吴润龙(右)与学生在北京大学未来技术学院实验室讨论多色微型化双光子显微镜的应用。新华社发

 北京大学程和平、王爱民团队联合北京信息科技大学吴润龙团队制出一种新型超宽带空心光纤,具有低损耗、低色散等特点,可实现波长700至1060纳米的多种波长的飞秒脉冲激光传输,进而研制出多色微型化双光子显微镜。

 “这相当于给大脑彩色直播神经元与细胞器的动态活动。”吴润龙教授说,过去受空心光纤功能限制,只能用显微镜看单类型细胞,现在不同类型细胞都可有不同颜色的荧光标记,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。

 8月21日,研究人员在实验室进行显微镜光路调试实验。新华社发

 研究人员给患有阿尔茨海默病的小鼠头上戴上这种显微镜,首次同步捕捉到神经元钙信号、线粒体钙信号与斑块沉积的红、绿、蓝三色动态影像,并在疾病早期阶段就观察到邻近斑块的细胞和线粒体活动异常现象。

 团队还在小鼠脑超820微米深度的皮层,获得了神经元钙信号与结构成像——这是目前已知在不破坏脑组织情况下所获得的最深的微型化双光子显微镜成像。此外,显微镜镜头还成功实现了大视场观测与高分辨精细成像的无缝转换。

 8月20日,佩戴多色微型化双光子显微镜的小鼠在实验中。新华社发

 北京大学国家生物医学成像科学中心主任程和平说,多年来,多色荧光标记无创深脑成像能力只能在大型台式设备上实现,团队首次解决了微型化双光子显微镜多色激发成像的难题,为研究大脑复杂网络带来突破性进展。未来,该技术将在理解脑认知原理、脑疾病机制研究、神经药物评估以及脑机接口等领域具广泛应用前景。