為什么雙光子成像如此重要？

　　成像技術(shù)一直是推動聲明科學(xué)進(jìn)步的主要動力。歷史上，X射線、全息照相法、MRI核共振成像、超高分辨率顯微成像技術(shù)都獲得了Nobel獎。

　　進(jìn)入新千年，腦科學(xué)研究成為熱點。工欲善其事，必先利其器。若要更好的探索人類大腦，就必須有更好的儀器與工具。目前，各國腦科學(xué)計劃的一個核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究工具。 其中，如何打破尺度壁壘，整合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動與大腦整體的活動和個體行為信息，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

　　近日，自然雜志子刊 Nature Methods 發(fā)布了來自于中國在這方面的研究進(jìn)展。該論文主要展示了《超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)》的研究成果——新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡成功研制，并獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動清晰、穩(wěn)定的圖像。

　　該研究成果源自于國家自然科學(xué)基金委員會計劃局組織的國家重大科研儀器設(shè)備研制專項，當(dāng)時共有9個項目入選。北京大學(xué)程和平院士主導(dǎo)的《超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)》就是其中之一，當(dāng)時也獲得了7200萬元的經(jīng)費支持。

　　過去三年，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、動態(tài)成像中心、生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院，聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成跨學(xué)科團(tuán)隊，完成了的這一研發(fā)工作。團(tuán)對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程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動清晰、穩(wěn)定的圖像。研究論文2016年12月提交，2017年5月29日正式在自然雜志子刊 Nature Methods 發(fā)布。

　　根據(jù)官方提供的信息，產(chǎn)品相比單光子激發(fā)，雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢，其橫向分辨率達(dá)到 0.65μm，成像質(zhì)量可達(dá)商品化大型臺式雙光子熒光顯微鏡水平，并優(yōu)于美國所研發(fā)的微型化寬場顯微鏡。該顯微鏡采用雙軸對稱高速微機電系統(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，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。

　　值得一提的是，該顯微鏡重僅 2.2 克，可在小動物頭部顱窗上，實時記錄數(shù)十個神經(jīng)元、上千個神經(jīng)突觸的動態(tài)信號;在大型動物上，還有望實現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長時程觀測。

　　之所以說這一研究成果意義重大，主要是因為它為腦科學(xué)、人工智能學(xué)科的研究提供了重要的高端儀器。具體來說，微型雙光子熒光顯微成像技術(shù)改變了在自由活動動物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式，可用于在動物覓食、哺乳、跳臺、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下,或者在學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)中和學(xué)習(xí)后，長時程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)變化。

　　(注：本圖形象的表述了這一研發(fā)成果的意義)

　　事實上，成像技術(shù)一直是推動生命科學(xué)進(jìn)步的主要動力。歷史上，X射線、全息照相法、CT計算機斷層成像、電子顯微鏡、MRI核共振成像、超高分辨率顯微成像技術(shù)都推動了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也都獲得了Nobel獎。

　　在今天的發(fā)布會之前，該成果在 2016 年底美國神經(jīng)科學(xué)年會、2017 年 5 月冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會議上報告后,得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內(nèi)的國內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的認(rèn)可。冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會議主席、美國著名神經(jīng)科學(xué)家加州大學(xué)洛杉磯分校的 Alcino J Silva 教授認(rèn)為，“ 這款顯微鏡將改變我們在自由活動動物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式……系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)正在進(jìn)入一個新的時代，即通過對細(xì)胞群體中可辨識的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜生物學(xué)事件進(jìn)行成像觀測，從而更加深刻地理解進(jìn)化所造就的大腦環(huán)路實現(xiàn)復(fù)雜行為的核心工程學(xué)原理。”

　　這項技術(shù)研發(fā)成功的同時，團(tuán)隊也成立了一家叫做“超維景”的公司，并獲得了來自協(xié)同創(chuàng)新基金、中科創(chuàng)星(西科天使)的融資，公司將會在符合北大政策的前提下，由北大支持進(jìn)行商業(yè)化推廣。團(tuán)隊接下來的重心仍是技術(shù)迭代、新產(chǎn)品研發(fā)。