在國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制專項“超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”(項目編號：31327901)的支持下，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、動態(tài)成像中心、生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成跨學(xué)科團(tuán)隊，歷經(jīng)三年多的協(xié)同奮戰(zhàn)，成功研制新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡，并獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動清晰、穩(wěn)定的圖像。相關(guān)研究成果以“Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice”(高速高分辨微型化雙光子顯微鏡在小鼠自由行為中獲取大腦圖像)為題于5月29日在線發(fā)表在Nature Method上。相關(guān)技術(shù)文檔同步發(fā)表在Protocol Exchange上，并已申請多項專利。

2.2g可佩戴式微型雙光子顯微鏡

　　目前，各國腦科學(xué)計劃的一個核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究工具。其中，如何打破尺度壁壘，整合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動與大腦整體的活動和個體行為信息，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

　　新一代微型化雙光子熒光顯微鏡體積小，重僅2.2克，適于佩戴在小動物頭部顱窗上，實時記錄數(shù)十個神經(jīng)元、上千個神經(jīng)突觸的動態(tài)信號。在大型動物上，還可望實現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長時程觀測。相比單光子激發(fā)，雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢，其橫向分辨率達(dá)到0.65μm，成像質(zhì)量與商品化大型臺式雙光子熒光顯微鏡可相媲美，遠(yuǎn)優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)主導(dǎo)的、美國腦科學(xué)計劃核心團(tuán)隊所研發(fā)的微型化寬場顯微鏡。采用雙軸對稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，成像幀頻已達(dá)40Hz(256*256像素)，同時具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬線的線掃描能力。

　　此外，采用自主設(shè)計可傳導(dǎo)920nm飛秒激光的光子晶體光纖，該系統(tǒng)首次實現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對腦科學(xué)領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的指示神經(jīng)元活動的熒光探針(如GCaMP6)的有效利用。 同時采用柔性光纖束進(jìn)行熒光信號的接收，解決了動物的活動和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。未來，與光遺傳學(xué)技術(shù)的結(jié)合，可望在結(jié)構(gòu)與功能成像的同時，精準(zhǔn)地操控神經(jīng)元和神經(jīng)回路的活動。

　　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(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式，可用于在動物覓食、哺乳、跳臺、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，或者在學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)中和學(xué)習(xí)后，長時程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)變化。

　　該成果在2016年底美國神經(jīng)科學(xué)年會、2017年5月冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會議上報告后，得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內(nèi)的國內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的高度贊譽。冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會議主席、美國著名神經(jīng)科學(xué)家加州大學(xué)洛杉磯分校的Alcino J Silva教授在評述中寫道，“從任何一個標(biāo)準(zhǔn)來看，這款顯微鏡都代表了一項重大技術(shù)發(fā)明，必將改變我們在自由活動動物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經(jīng)元和樹突成像。系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)正在進(jìn)入一個新的時代，即通過對細(xì)胞群體中可辨識的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜生物學(xué)事件進(jìn)行成像觀測，從而更加深刻地理解進(jìn)化所造就的大腦環(huán)路實現(xiàn)復(fù)雜行為的核心工程學(xué)原理。毫無疑問，這項非凡的發(fā)明讓我們向著這一目標(biāo)邁進(jìn)了一步?！?p>　　可以期待，微型化雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)將為實現(xiàn)“分析腦、理解腦、模仿腦”的戰(zhàn)略目標(biāo)發(fā)揮不可或缺的重要作用。