微型化三光子显微镜研制成功

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  本报北京2月26日电（记者晋浩天）北京大学程和平、王爱民研究团队日前于《自然-方法》在线发表研究论文。文章报道了一款重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜，能直接透过大脑皮层和胼胝体，首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。

  “事实上，解析脑连接图谱和功能动态图谱是各国脑科学计划的一个重点研究方向。”课题组成员、北大未来技术学院博士后赵春竹介绍，海马体位于皮层和胼胝体下面，在短期记忆到长期记忆的巩固、空间记忆和情绪编码等方面起着重要作用。由于大脑组织，特别是胼胝体，具有对光的高散射光学特性，因此突破成像深度极限是长期以来困扰神经科学家的一个极大挑战。“此前的微型单光子及微型多光子显微镜，均无法实现穿透全皮层直接对海马区进行无损成像。”

  正因如此，打造自由运动动物佩戴式显微成像类研究工具成为当务之急。北京大学最新研制的微型化三光子显微镜突破了此前成像深度极限：显微镜激发光路可以穿透整个小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马CA1亚区的直接观测记录，神经元钙信号最大成像深度可达1.2毫米，血管成像深度可达1.4毫米。另外，在光毒性方面，全皮层钙信号成像仅需要几个毫瓦，海马钙信号成像仅需要20至50毫瓦，大大低于组织损伤的安全阈值。

  该款微型三光子显微镜成像深度的突破得益于全新的光学构型设计。研究团队将经典阿贝聚光镜结构引入构型设计中，使散射荧光收集效率实现了成倍提升。该显微镜可以长时间、不间断连续观测神经元功能活动，而不产生明显的光漂白与光损伤。

  课题组成员、北京大学分子医学南京转化研究院研究员张立风说，利用新研制的微型三光子显微镜，团队还研究了小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆这一感觉运动过程中的编码机制：发现大约37%的神经元在抓取动作之前就开始活跃且在抓取时最活跃，大约5.6%的神经元在抓取动作之后开始活跃。

  “这说明不同神经元参与了不同阶段的编码，也初步展示了微型化三光子显微镜在脑科学研究中的应用潜力。”北京大学国家生物医学成像科学中心主任程和平院士强调。