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　成像技術(shù)是推動生命科學(xué)進(jìn)步的核心動力。上世紀(jì)以來，人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了包括X射線、全息照相法、CT、電子顯微鏡、MRI磁共振成像、超高分辨率顯微成像在內(nèi)的多種成像技術(shù)。

　　而近年來，生命科學(xué)研究的發(fā)展趨勢從分子與細(xì)胞的層級上升到離體組織與器官、歷經(jīng)在體麻醉動物細(xì)胞顯微到現(xiàn)在的清醒動物的分子與細(xì)胞動態(tài)信號，不斷對成像技術(shù)提出新的要求，即在清醒活體的狀態(tài)下還要保證分子水平的分辨率。

　　　如今，雙光子熒光顯微鏡是活體動物神經(jīng)成像的經(jīng)典方法。雙光子成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、成像深度大等特點，與熒光蛋白以及熒光染料等標(biāo)記物在細(xì)胞中的定位與表達(dá)技術(shù)相結(jié)合，能夠在生命體和細(xì)胞仍具有活性的狀態(tài)下對其功能進(jìn)行動態(tài)觀察，使得人們可以研究處于生理狀態(tài)時的動物大腦內(nèi)的神經(jīng)元活動。

　　雙光子成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

　盡管雙光子成像有看得準(zhǔn)、看得深、光損傷小等優(yōu)點，但也存在看活體不準(zhǔn)、掃描速度慢、體積龐大無法便攜化等缺點。之前在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，如果科學(xué)家想要對小動物在行為過程中的大腦活動進(jìn)行成像研究，是采用了一種看起來非常好玩而又黑科技的方式。

　　將虛擬現(xiàn)實與雙光子成像相結(jié)合，在小動物頭部被固定的情況下，在其眼前制造影像，讓動物認(rèn)為自己處在“真實”的環(huán)境之中，通過動物四肢在類似跑步機(jī)或者鼠標(biāo)滾球上的運動來模擬其真實活動，以求達(dá)到研究神經(jīng)元在動物行為中所起到的作用。

　　　　但是，這種虛擬現(xiàn)實加頭部固定成像的方法，已經(jīng)遭到許多科學(xué)家的質(zhì)疑。他們認(rèn)為，頭部被固定會使動物在實驗期間受到物理約束和情緒的壓力，因此無法證明虛擬現(xiàn)實下得到的結(jié)果等同于真實環(huán)境。更重要的是，許多社會行為，比如親子護(hù)理，交配和戰(zhàn)斗，是不能用頭部固定的方式進(jìn)行研究的。如何在動物自由活動的時候，直接對其神經(jīng)元進(jìn)行成像，是神經(jīng)科學(xué)家還未能得到解決終極的訴求。

　　所以，開發(fā)一種微型熒光顯微鏡，讓其直接固定在自由活動的動物身上成為了解決問題的關(guān)鍵。十多年來，人們經(jīng)歷了微型單光子寬場顯微鏡；重達(dá)25克、且成像速度慢的雙光子顯微鏡等階段，一直無法攻克微型雙光子顯微鏡需要解決的諸多技術(shù)難題。

　　新一代微型化雙光子熒光顯微鏡的性能

　　　　據(jù)悉，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡重量僅2.2克，橫向分辨率可達(dá)到0.65微米，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。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，有望在結(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。