北京大學(xué)學(xué)者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。
北京大學(xué)學(xué)者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。
這一成果由北京大學(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)，歷時(shí)三年多完成。論文于5月29日在線(xiàn)發(fā)表于《自然》雜志子刊《自然方法》(Nature Methods)上，并已申請(qǐng)多項(xiàng)專(zhuān)利。
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(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，還可望實(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)。
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)，該系統(tǒng)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)。微型化雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)將為實(shí)現(xiàn)“分析腦、理解腦、模仿腦”的目標(biāo)發(fā)揮重要作用。
據(jù)程院士介紹，雙光子顯微鏡其實(shí)不是新鮮事物，1930年代，M·Goeppert Mayer就提出了雙光子吸收躍遷的基本原理；1960年代，激光器的發(fā)明使得雙光子效應(yīng)被驗(yàn)證和應(yīng)用；1990年，Denk，Webb發(fā)明了第一臺(tái)雙光子顯微鏡，至今已有20多年的歷史。
如今，雙光子熒光顯微鏡是活體動(dòng)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(diǎn)，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(duì)其功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，使得人們可以研究處于生理狀態(tài)時(shí)的動(dòng)物大腦內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)。
雙光子成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
程院士認(rèn)為，盡管雙光子成像有看得準(zhǔn)、看得深、光損傷小等優(yōu)點(diǎn)，但也存在看活體不準(zhǔn)、掃描速度慢、體積龐大無(wú)法便攜化等缺點(diǎn)。
之前在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，如果科學(xué)家想要對(duì)小動(dòng)物在行為過(guò)程中的大腦活動(dòng)進(jìn)行成像研究，是采用了一種看起來(lái)非常好玩而又黑科技的方式。
將虛擬現(xiàn)實(shí)與雙光子成像相結(jié)合，在小動(dòng)物頭部被固定的情況下，在其眼前制造影像，讓動(dòng)物認(rèn)為自己處在“真實(shí)”的環(huán)境之中，通過(guò)動(dòng)物四肢在類(lèi)似跑步機(jī)或者鼠標(biāo)滾球上的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬其真實(shí)活動(dòng)，以求達(dá)到研究神經(jīng)元在動(dòng)物行為中所起到的作用。
