我科學家成功研製新一代微型顯微鏡

5月31日，北京大學舉行專題新聞發布會，宣布北京大學聯合中國人民解放軍軍事醫學科學院組成跨學科團隊，成功研製出新一代微型化雙光子熒光顯微鏡。這一微型顯微鏡重量僅為2.2克，可以佩戴在小鼠頭部獲取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，在國際上被認為是該科研領域實現的重大突破。

小小顯微鏡實現重大技術突破

人類1400克的大腦，如同一個小小的宇宙，包含了百億級神經元和百萬億級的神經突觸，隱藏著世界上最美麗最深邃的奧秘。進入21世紀以來，世界科技強國紛紛啟動有史以來最大規模的腦科學研究計劃，人類探索大腦的歷史畫卷正在展開。

頭戴微型化雙光子顯微鏡的小鼠。北京大學分子醫學研究所供圖

工欲善其事，必先利其器。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。研究工具的研發，也早已列入我國的科學計劃，2012年國家自然科學基金委啟動「國家重大科研儀器設備研製專項」計劃，這款新一代微型化雙光子熒光顯微鏡，就是在這個專項計劃的支持下取得的成果。

「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，是世界腦科學領域面臨的一個關鍵挑戰。」北京大學分子醫學研究所教授程和平院士介紹說，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡正是在這個方向上做出突破，它體積小，重量僅2.2克，適於佩戴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。「這種成像技術改變了在自由活動的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。」

據了解，這項成果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肯定，美國著名神經科學家阿爾西諾·席爾瓦（Alcino Silva）教授表示：「從任何一個標準來看，這款顯微鏡都代表了一項重大技術發明，必將改變我們在自由活動的動物中觀察細胞和亞細胞結構的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經元和樹突成像。系統神經生物學正在進入一個新的時代，毫無疑問，這項非凡的發明讓我們向著這一目標邁進了一步。」

努力實現領跑成像技術

不僅在腦科學，事實上在整個生命科學的發展中，成像技術都是推動其進步的重要動力。但生命科學的發展趨勢仍在對成像技術不斷提出挑戰。「當前生命科學研究已從還原論上升到整體論，即從細胞層次向整合生物學發展，需要新的成像技術提供支撐。」程和平說。

在這樣的挑戰前，中國科學家有了和世界競爭的機遇。

以新一代微型化雙光子熒光顯微鏡為例，其解決了該領域的多個難題，使中國在微型顯微鏡研究領域處在開始領跑的狀態：

新一代微型化雙光子熒光顯微鏡相比單光子激發、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0.65微米，成像質量與商品化大型台式雙光子熒光顯微鏡可相媲美，遠優於目前領域內主導的、美國腦科學計劃核心團隊所研發的微型化寬場顯微鏡。

此外，新一代微型化雙光子熒光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40赫茲（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；採用自主設計可傳導920納米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的有效利用；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。

另據北京大學副校長王傑介紹，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡在研製過程中鍛煉了一支以年輕研究員和碩博研究生為主體、具有學科交叉背景和核心技術創新能力的「中國智造」隊伍。

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