北大研製新一代微型顯微鏡 可實時記錄神經元

進入新千年，腦科學研究成為熱點。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,各國腦科學計劃的一個核心方向就是打造用於全景式解析腦連接圖譜和功能動態圖譜的研究工具。 其中,如何打破尺度壁壘,整合微觀神經元和神經突觸活動與大腦整 體的活動和個體行為信息，是領域內亟待解決的一個關鍵挑戰。

近日，自然雜誌子刊Nature Methods發布了來自於中國在這方面的研究進展。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》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製，並獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經元和神經突觸活動清晰、穩定的圖像。

該研究成果源自於國家自然科學基金委員會計劃局組織的國家重大科研儀器設備研製專項，當時共有9個項目入選。北京大學程和平院士主導的《超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統》就是其中之一，當時也獲得了7200萬元的經費支持。

過去三年，北京大學分子醫學研究所、信息科學技術學院、動態成像中心、生命科學學院、工學院，聯合中國人民解放軍軍事醫學科學院組成跨學科團隊，完成了的這一研發工作。團對成功研製新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡,並獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經元和神經突觸活動清晰、穩定的圖像。研究論文2016年12月提交，2017年5月29日正式在自然雜誌子刊Nature Methods發布。

根據官方提供的信息，產品相比單光子激發，雙光子激發具有良好的光學斷層、更深的生物組織穿透等優勢，其橫向解析度達到0.65μm，成像質量可達商品化大型台式雙光子熒光顯微鏡水平，並優於美國所研發的微型化寬場顯微鏡。該顯微鏡採用雙軸對稱高速微機電系統轉鏡掃描技術,成像幀頻已達40Hz(256*256像素),同時具備多區域隨機掃描和每秒1萬線的線掃描能力。

此外, 採用自主設計可傳導920nm飛秒激光的光子晶體光纖,該系統首次實現了微型雙光子顯微鏡對腦科學領域最廣泛應用的指示神經元活動 的熒光探針(如GCaMP6)的有效利用。

同時採用柔性光纖束進行 熒光信號的接收,解決了動物的活動和行為由於熒光傳輸光纜拖拽而 受到干擾的難題。未來,與光遺傳學技術的結合,可望在結構與功能 成像的同時,精準地操控神經元和神經迴路的活動。

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,實時記錄數十個神經元、上千個神經突觸的動態信號；在大型動物上，還有望實現多探頭佩戴、多顱窗不同腦區的長時程觀測。

之所以說這一研究成果意義重大，主要是因為它為腦科學、人工智慧學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改變了在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結構的方式，可用於在動物覓食、哺乳、跳台、打鬥、嬉戲、睡眠等自然行為條件下,或者在學習前、學習中和學習後,長時程觀察神經突觸、神經元、神經網路、遠程連接的腦區等多尺度、多層次動態變化。

事實上，成像技術一直是推動生命科學進步的主要動力。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、超高解析度顯微成像技術都推動了科學技術的進步，也都獲得了Nobel獎。

在今天的發布會之前，該成果在2016年底美國神經科學年會、2017年5月冷泉港亞洲腦科學專題會議上報告後,得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內的國內外神經科學家的認可。冷泉港亞洲腦科學專題會議主席、美國著名神經科學家加州大學洛杉磯分校的Alcino J Silva教授認為，「這款顯微鏡將改變我們在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結構的方式標誌著系統神經生物學正在進入一個新的時代,即通過對細胞群體中可辨識的細胞和亞細胞結構的複雜生物學事件進行成像觀測,從而更加深刻地理解進化所造就的大腦環路實現複雜行為的核心工程學原理。」

這項技術研發成功的同時，團隊也成立了一家叫做「超維景」的公司，並獲得了來自協同創新基金、西科天使的融資，公司將會在符合北大政策的前提下，由北大支持進行商業化推廣。團隊接下來的重心仍是技術迭代、新產品研發。

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