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我國(guó)科學(xué)家研制“微型化三光子顯微鏡”首次實(shí)現(xiàn)小鼠“深腦成像”

人腦包含百億級(jí)神經(jīng)元和百萬(wàn)億級(jí)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(shí)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(dòng)態(tài)圖譜的研究工具是各國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃的一個(gè)核心方向。24日，北京大學(xué)程和平、王愛民研究團(tuán)隊(duì)在《自然-方法》雜志在線發(fā)表一項(xiàng)最新研究成果：一款重量?jī)H為2.17克的微型化三光子顯微鏡，能直接透過(guò)大腦皮層和胼胝體，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)制開啟了新的研究范式。

圖為佩戴微型化三光子顯微鏡的小鼠（研究團(tuán)隊(duì)提供）

課題組成員、北大未來(lái)技術(shù)學(xué)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(duì)傳播光束具有高散射特性，突破胼胝體實(shí)現(xiàn)大腦深層直接成像成為長(zhǎng)期以來(lái)神經(jīng)科學(xué)家面臨的極大挑戰(zhàn)。此前，國(guó)際上已知的微型化多光子顯微鏡均無(wú)法實(shí)現(xiàn)穿透全皮層直接對(duì)海馬體進(jìn)行無(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠海馬CA1亞區(qū)的直接觀測(cè)記錄，神經(jīng)元鈣信號(hào)最大成像深度可達(dá)1.2毫米，血管成像深度可達(dá)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(xué)構(gòu)型設(shè)計(jì)，使散射熒光收集效率實(shí)現(xiàn)了成倍提升。此外，該顯微鏡還可長(zhǎng)時(shí)間、不間斷地觀測(cè)神經(jīng)元功能活動(dòng)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(duì)小鼠大腦皮層和海馬CA1亞區(qū)結(jié)構(gòu)成像（研究團(tuán)隊(duì)提供）

北京大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任程和平院士說(shuō)，利用該顯微鏡，團(tuán)隊(duì)研究了小鼠大腦頂葉皮層第六層神經(jīng)元在抓取糖豆過(guò)程中的編碼機(jī)制，發(fā)現(xiàn)約37%的神經(jīng)元在抓取動(dòng)作之前就開始活躍且在抓取時(shí)最活躍，約5.6%的神經(jīng)元在抓取動(dòng)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(xué)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(tuán)隊(duì)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(guò)程中大腦皮層神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖像。2021年，團(tuán)隊(duì)研制的第二代微型化雙光子顯微鏡將成像視野擴(kuò)大了7.8倍，具備獲取大腦皮層上千個(gè)神經(jīng)元功能信號(hào)的三維成像能力。

關(guān)鍵詞： 大腦皮層 北京大學(xué) 技術(shù)學(xué)院