我國科學家研制“微型化三光子顯微鏡”首次實現(xiàn)小鼠“深腦成像”
人腦包含百億級神經(jīng)元和百萬億級的神經(jīng)突觸，其結(jié)構(gòu)和功能上極其復(fù)雜精密的連接和相互作用，是意識和思想涌現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。研制用于解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究工具是各國腦科學計劃的一個核心方向。24日，北京大學程和平、王愛民研究團隊在《自然-方法》雜志在線發(fā)表一項最新研究成果：一款重量僅為2.17克的微型化三光子顯微鏡，能直接透過大腦皮層和胼胝體，首次實現(xiàn)對自由行為中小鼠的大腦全皮層和海馬神經(jīng)元功能成像，為揭示大腦深部結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)機制開啟了新的研究范式。
【資料圖】
圖為佩戴微型化三光子顯微鏡的小鼠（研究團隊提供）
課題組成員、北大未來技術(shù)學院博士后趙春竹介紹，海馬體位于大腦皮層和胼胝體下面，在記憶鞏固、空間記憶和情緒編碼等方面起重要作用。但由于大腦組織特別是胼胝體對傳播光束具有高散射特性，突破胼胝體實現(xiàn)大腦深層直接成像成為長期以來神經(jīng)科學家面臨的極大挑戰(zhàn)。此前，國際上已知的微型化多光子顯微鏡均無法實現(xiàn)穿透全皮層直接對海馬體進行無損成像。
據(jù)悉，此次新研制的微型化三光子顯微鏡一舉突破了此前的成像深度極限：顯微鏡激發(fā)光路可穿透小鼠大腦皮層和胼胝體，實現(xiàn)對小鼠海馬CA1亞區(qū)的直接觀測記錄，神經(jīng)元鈣信號最大成像深度可達1.2毫米，血管成像深度可達1.4毫米。
這一成像深度的突破得益于該顯微鏡全新的光學構(gòu)型設(shè)計，使散射熒光收集效率實現(xiàn)了成倍提升。此外，該顯微鏡還可長時間、不間斷地觀測神經(jīng)元功能活動而不產(chǎn)生明顯的光漂白與光損傷。
圖為使用微型化三光子顯微鏡對小鼠大腦皮層和海馬CA1亞區(qū)結(jié)構(gòu)成像（研究團隊提供）
北京大學國家生物醫(yī)學成像科學中心主任程和平院士說，利用該顯微鏡，團隊研究了小鼠大腦頂葉皮層第六層神經(jīng)元在抓取糖豆過程中的編碼機制，發(fā)現(xiàn)約37%的神經(jīng)元在抓取動作之前就開始活躍且在抓取時最活躍，約5.6%的神經(jīng)元在抓取動作后開始活躍。
“這顯示出不同神經(jīng)元參與了不同階段的編碼，也初步展示了微型化三光子顯微鏡在腦科學研究中的應(yīng)用潛力。”程和平表示，這一成像技術(shù)為人類更深入探尋大腦的奧秘、揭秘腦功能連接圖譜提供了重要工具。
2017年，程和平團隊成功研制第一代微型化雙光子顯微鏡，獲取了小鼠在自由行為過程中大腦皮層神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的動態(tài)圖像。2021年，團隊研制的第二代微型化雙光子顯微鏡將成像視野擴大了7.8倍，具備獲取大腦皮層上千個神經(jīng)元功能信號的三維成像能力。
記者：魏夢佳
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