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。
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。
但是，這種虛擬現(xiàn)實(shí)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(huì)使動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)期間受到物理約束和情緒的壓力，因此無(wú)法證明虛擬現(xiàn)實(shí)下得到的結(jié)果等同于真實(shí)環(huán)境。
更重要的是，許多社會(huì)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(dòng)物自由活動(dòng)的時(shí)候，直接對(duì)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(kāi)發(fā)一種微型熒光顯微鏡，讓其直接固定在自由活動(dòng)的動(dòng)物身上成為了解決問(wèn)題的關(guān)鍵。十多年來(lái)，人們經(jīng)歷了微型單光子寬場(chǎng)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(wú)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
