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【科技前沿】

北京大學程和平、王愛民研究團隊日前于《自然-方法》在線發(fā)表研究論文。文章報道了一款重量僅為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。

“事實上，解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜是各國腦科學計劃的一個重點研究方向?！闭n題組成員、北大未來技術(shù)學院博士后趙春竹介紹，海馬體位于皮層和胼胝體下面，在短期記憶到長期記憶的鞏固、空間記憶和情緒編碼等方面起著重要作用。由于大腦組織，特別是胼胝體，具有對光的高散射光學特性，因此突破成像深度極限是長期以來困擾神經(jīng)科學家的一個極大挑戰(zhàn)。“此前的微型單光子及微型多光子顯微鏡，均無法實現(xiàn)穿透全皮層直接對海馬區(qū)進行無損成像?！?/p>

正因如此，打造自由運動動物佩戴式顯微成像類研究工具成為當務之急。北京大學最新研制的微型化三光子顯微鏡突破了此前成像深度極限：顯微鏡激發(fā)光路可以穿透整個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。另外，在光毒性方面，全皮層鈣信號成像僅需要幾個毫瓦，海馬鈣信號成像僅需要20至50毫瓦，大大低于組織損傷的安全閾值。

該款微型三光子顯微鏡成像深度的突破得益于全新的光學構(gòu)型設計。研究團隊將經(jīng)典阿貝聚光鏡結(jié)構(gòu)引入構(gòu)型設計中，使散射熒光收集效率實現(xiàn)了成倍提升。該顯微鏡可以長時間、不間斷連續(xù)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。

課題組成員、北京大學分子醫(yī)學南京轉(zhuǎn)化研究院研究員張立風說，利用新研制的微型三光子顯微鏡，團隊還研究了小鼠頂葉皮層第六層神經(jīng)元在抓取糖豆這一感覺運動過程中的編碼機制：發(fā)現(xiàn)大約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，大約5.6%的神經(jīng)元在抓取動作之后開始活躍。

“這說明不同神經(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用潛力?！北本┐髮W國家生物醫(yī)學成像科學中心主任程和平院士強調(diào)。（記者晉浩天）