新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡成功研制

 進(jìn)入新千年，腦科學(xué)研究成為熱點(diǎn)。工欲善其事，必先利其器。若要更好的探索人類大腦，就必須有更好的儀器與工具。近日，研究成果取得最新進(jìn)展——新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡成功研制。
  目前,各國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃的一個(gè)核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)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(dòng)與大腦整 體的活動(dòng)和個(gè)體行為信息，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
  近日，自然雜志子刊 Nature Methods 發(fā)布了來(lái)自于中國(guó)在這方面的研究進(jìn)展。該論文主要展示了《超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)》的研究成果——新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡成功研制，并獲取了小鼠在自由行為過(guò)程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)清晰、穩(wěn)定的圖像。
  該研究成果源自于國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)計(jì)劃局組織的國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)，當(dāng)時(shí)共有9個(gè)項(xiàng)目入選。北京大學(xué)程和平院士主導(dǎo)的《超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)》就是其中之一，當(dāng)時(shí)也獲得了7200萬(wàn)元的經(jīng)費(fèi)支持。
  過(guò)去三年，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(dòng)態(tài)成像中心、生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院，聯(lián)合中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，完成了的這一研發(fā)工作。團(tuán)對(duì)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(guò)程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)清晰、穩(wěn)定的圖像。研究論文2016年12月提交，2017年5月29日正式在自然雜志子刊 Nature Methods 發(fā)布。
  根據(jù)提供的信息，產(chǎn)品相比單光子激發(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(shì)，其橫向分辨率達(dá)到 0.65μm，成像質(zhì)量可達(dá)商品化大型臺(tái)式雙光子熒光顯微鏡水平，并優(yōu)于美國(guó)所研發(fā)的微型化寬場(chǎng)顯微鏡。該顯微鏡采用雙軸對(duì)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(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒 1 萬(wàn)線的線掃描能力。
  此外, 采用自主設(shè)計(jì)可傳導(dǎo) 920nm 飛秒激光的光子晶體光纖,該系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對(duì)腦科學(xué)領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的指示神經(jīng)元活動(dòng) 的熒光探針(如 GCaMP6)的有效利用。
  同時(shí)采用柔性光纖束進(jìn)行 熒光信號(hào)的接收,解決了動(dòng)物的活動(dòng)和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而 受到干擾的難題。未來(lái),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(shí),精準(zhǔn)地操控神經(jīng)元和神經(jīng)回路的活動(dòng)。
  值得一提的是，該顯微鏡重僅 2.2 克，可在小動(dòng)物頭部顱窗上,實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號(hào)；在大型動(dòng)物上，還有望實(shí)現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)。
  之所以說(shuō)這一研究成果意義重大，主要是因?yàn)樗鼮槟X科學(xué)、人工智能學(xué)科的研究提供了重要的高端儀器。具體來(lái)說(shuō)，微型雙光子熒光顯微成像技術(shù)改變了在自由活動(dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式，可用于在動(dòng)物覓食、哺乳、跳臺(tái)、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(zhǎng)時(shí)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(dòng)態(tài)變化。
 (注：本圖形象的表述了這一研發(fā)成果的意義)
  事實(shí)上，成像技術(shù)一直是推動(dòng)聲明科學(xué)進(jìn)步的主要?jiǎng)恿Αv史上，X射線、全息照相法、CT計(jì)算機(jī)斷層成像、電子顯微鏡、MRI核共振成像、超高分辨率顯微成像技術(shù)都推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也都獲得了Nobel獎(jiǎng)。
  在今天的發(fā)布會(huì)之前，該成果在 2016 年底美國(guó)神經(jīng)科學(xué)年會(huì)、2017 年 5 月冷泉 港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議上報(bào)告后,得到包括多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的認(rèn)可。冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議主席、 美國(guó)著名神經(jīng)科學(xué)家加州大學(xué)洛杉磯分校的 Alcino J Silva 教授認(rèn)為，“ 這款顯微鏡將改變我們?cè)谧杂苫顒?dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式……系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代,即通過(guò)對(duì)細(xì)胞群體中可辨識(shí)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(cè),從而更加深刻地理解進(jìn)化所 造就的大腦環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為的核心工程學(xué)原理。”
  編輯點(diǎn)評(píng)
  微型雙光子熒光顯微成像技術(shù)改變了在自由活動(dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式，因?yàn)闉槟X科學(xué)、人工智能學(xué)科的研究提供了重要的高端儀器。