精準(zhǔn)捕捉大腦神經(jīng)元與突觸活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化是腦科學(xué)研究的核心難題之一。中國(guó)科學(xué)家近期自主研制的新一代多色微型化雙光子顯微鏡，僅重2.6克，首次實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)小鼠高分辨率的深腦雙光子彩色成像，為解碼復(fù)雜腦功能機(jī)制提供了新工具。

這項(xiàng)歷經(jīng)4年的研發(fā)成果21日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-方法》。

雙光子顯微成像技術(shù)是基于雙光子吸收及激發(fā)熒光的一種非線性光學(xué)成像技術(shù)，其關(guān)鍵器件之一是空心光纖。人們通過(guò)光纖內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，將激光約束其中進(jìn)行傳輸，再打在標(biāo)記熒光的細(xì)胞上，從而產(chǎn)生熒光圖像。不同波長(zhǎng)的激光其成像顏色不同。而此前的空心光纖只能傳輸單一波長(zhǎng)的超快激光，限制了其多色成像能力。

8月20日，研究人員在北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備給小鼠注射熒光標(biāo)記物。新華社發(fā)

北京大學(xué)程和平、王愛民團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京信息科技大學(xué)吳潤(rùn)龍團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出一種新型超寬帶空心光纖，具有低損耗、低色散等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)700至1060納米的多種波長(zhǎng)的飛秒脈沖激光傳輸，進(jìn)而研制出多色微型化雙光子顯微鏡。

“這相當(dāng)于給大腦彩色直播神經(jīng)元與細(xì)胞器的動(dòng)態(tài)活動(dòng)。”吳潤(rùn)龍說(shuō)，過(guò)去受空心光纖功能限制，只能用顯微鏡看單類型細(xì)胞，現(xiàn)在不同類型細(xì)胞都可有不同顏色的熒光標(biāo)記，就能清楚看到多種細(xì)胞間的復(fù)雜行為，研究其如何協(xié)同互作。

8月20日，吳潤(rùn)龍（右）與學(xué)生在北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室討論多色微型化雙光子顯微鏡的應(yīng)用。新華社發(fā)

研究人員給患有阿爾茨海默病的小鼠頭上戴上這種顯微鏡，首次同步捕捉到神經(jīng)元鈣信號(hào)、線粒體鈣信號(hào)與斑塊沉積的紅、綠、藍(lán)三色動(dòng)態(tài)影像，并在疾病早期階段就觀察到鄰近斑塊的細(xì)胞和線粒體活動(dòng)異常現(xiàn)象。

團(tuán)隊(duì)還在小鼠腦超820微米深度的皮層，獲得了神經(jīng)元鈣信號(hào)與結(jié)構(gòu)成像——這是目前已知在不破壞腦組織情況下所獲得的最深的微型化雙光子顯微鏡成像。此外，顯微鏡鏡頭還成功實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)觀測(cè)與高分辨精細(xì)成像的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。

北京大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任、中國(guó)科學(xué)院院士程和平說(shuō)，多年來(lái)，多色熒光標(biāo)記無(wú)創(chuàng)深腦成像能力只能在大型臺(tái)式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)首次解決了微型化雙光子顯微鏡多色激發(fā)成像的難題，為研究大腦復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)突破性進(jìn)展。未來(lái)，該技術(shù)將在理解腦認(rèn)知原理、腦疾病機(jī)制研究、神經(jīng)藥物評(píng)估以及腦機(jī)接口等領(lǐng)域具廣泛應(yīng)用前景。

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