用于捕捉大脑深部图像的三光子显微镜

中国北京大学的一个研究团队通过开发一种微型三光子显微镜，在多光子显微镜领域取得了新的突破，该显微镜已成功捕捉到自由移动小鼠的大脑深部图像。

微型头盔的光学配置可最大限度地收集散射荧光。

这种重量仅为 2.17 克的显微镜实现了对自由活动小鼠的大脑皮层 和海马神经元的稳定成像，这一创新有望成为揭示人类大脑奥秘的一种方法。

研究内容是什么？

人脑包含数十亿个神经元和数万亿个突触，绘制其连通性和功能动力学一直是全球大脑研究的重点之一，适用于小动物的可穿戴显微成像设备作为研究工具之一。

北京大学国家生物医学影像中心主任程和平领导的团队多年来一直致力于开发此类设备。

该团队于2017年研制出第一台重量为2.2克的微型双光子显微镜，获得了小鼠自由运动时大脑皮层神经元和突触活动的动态图像。

经过四年的发展，升级后的双光子显微镜将成像视野扩大了 7.8 倍，可以捕捉大脑皮层神经元功能信号的三维图像，同为中国科学院院士的程说。

头部固定小鼠 PPC 和背侧海马 CA1 图像堆栈的三维重建。从皮质表面开始的 970 μm 堆栈，通过 PPC 和 CC 直到 CA1 的 SP 层底部，间隔为 2 μm。绿色，GCaMP6s 标记的神经元；品红色，三次谐波生成信号。FOV 为 250 × 250 μm 2。成像深度显示在左上角。

新设备如何更先进？

北京大学程爱民研究员团队研制的新型三光子显微镜，与以往的微型多光子显微镜相比，具有更大的成像深度。

它穿透了自由活动的小鼠的整个皮质和胼胝体，并捕获了深度达 1.2 毫米的海马区域的钙活动图像，这对全球神经科学家来说是一个巨大的挑战。

钙活性是反映神经元细胞活性的指标，当与钙指示剂荧光分子结合时可以进行监测。但脑组织特别是皮质下胼胝体的光散射导致荧光穿透距离较短，限制了成像深度。

海马体位于皮质和胼胝体下方。北京大学未来技术学院团队成员赵春珠说，之前世界各地的微型多光子显微镜都未能捕捉到它的非侵入性成像。

团队研发的三光子显微镜通过创新的光学配置，成功实现了自由活动小鼠大脑深层的成像，最大限度地提高了散射荧光的收集效率。

研究表明，该显微镜的额外优势是光毒性低，在长时间观察神经元活动时不会造成明显的光漂白或光损伤。