據(jù)北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院報道，北京大學(xué)程和平-王愛民團(tuán)隊2月23日在《自然-方法（Nature Methods）》在線發(fā)表文章，報道了重量僅為2.17克的微型化三光子顯微鏡，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(jī)制開啟了新的研究范式。

小鼠佩戴微型化三光子顯微鏡實景圖

據(jù)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重要作用。在嚙齒類動物研究模型中，海馬距離腦表面深度大于一個毫米。由于大腦組織，特別是胼胝體，具有對光的高散射光學(xué)特性，所以突破成像深度極限是長期以來困擾神經(jīng)科學(xué)家的一個極大的挑戰(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(jìn)行無損成像。

此次北京大學(xué)最新的微型化三光子顯微鏡一舉突破了此前微型化多光子顯微鏡的成像深度極限：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(dá)1.2 mm，血管成像深度可達(dá)1.4 mm。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。因此，該款微型三光子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。

微型三光子顯微成像記錄小鼠大腦皮層L1-L6和海馬CA1的結(jié)構(gòu)和功能動態(tài)

這一突破得益于全新的光學(xué)構(gòu)型設(shè)計。作者通過對皮層、白質(zhì)和海馬體建立分層散射模型進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)熒光信號從深層組織到達(dá)腦表面時已經(jīng)處于隨機(jī)散射的狀態(tài)，使得顯微物鏡熒光收集效率降低，從而極大限制了成像深度。針對這一問題，經(jīng)典阿貝聚光鏡結(jié)構(gòu)被引入構(gòu)型設(shè)計中：微型阿貝聚光鏡與簡化的無限遠(yuǎn)物鏡密接可以提高散射光的通透效率；阿貝聚光鏡與激發(fā)光路中的微型管鏡部分復(fù)用，可以進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)，降低損耗?？傮w上，新微型化顯微鏡的散射熒光收集效率實現(xiàn)了成倍的提升。

同時，利用微型三光子顯微鏡，作者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(jī)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，說明不同神經(jīng)元參與了不同階段的編碼。這一結(jié)果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。

審核編輯 ：李倩