中国科学家成功研制新一代微型显微镜

经过三年多的共同努力，北京大学和中国人民解放军军事医学科学院组成了一个跨学科团队，成功研制出新一代高速、高分辨率的小型化双光子荧光显微镜，仅重2.2克。研究小组通过这种显微显微镜获得了老鼠*活动期间大脑神经元和突触的清晰而稳定的图像。原始论文于5月29日发表在《自然》杂志的附属期刊《自然方法》上。

程和平院士在5月31日上午的新闻发布会上做了详细介绍。新一代小型化双光子荧光显微镜体积小，重量仅为2.2g，适合戴在小动物头部的颅窗上，实时记录数十个神经元和数千个神经突触的动态信号。

在大型动物中，也有望通过多探头佩戴和多颅窗实现对不同脑区的长期观察。与单光子激发相比，双光子激发具有光学层析成像好、生物组织穿透更深等优点。其横向分辨率达到0.65μm。其成像质量可与商用大型台式双光子荧光显微镜相媲美，远优于目前在该领域占主导地位的美国脑科学计划核心团队开发的小型化宽视场显微镜。

采用双轴对称高速微机电系统的转镜扫描技术，成像帧频达到40Hz(256×256像素)，同时具有多区域随机扫描和每秒10000行的行扫描能力。此外，采用自行设计的可传导920纳米飞秒激光的光子晶体光纤，该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域应用最广泛的指示神经元活动的荧光探针(如GCaMP6)的有效利用。同时，利用柔性光纤束接收荧光信号，解决了由于荧光传输光缆的拖拉而干扰动物活动和行为的问题。在未来，与光遗传学技术的结合有望在对结构和功能成像的同时精确控制神经元和神经回路的活动。

小型化双光子荧光显微成像改变了*运动动物观察细胞和亚细胞结构的方式，可用于在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或在学习之前、之中和之后，长时间观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的大脑区域等的多尺度、多层次动态变化。

《中国科学报》记者了解到，该成果在2016年底的美国神经科学年会和2017年5月的冷泉港亚洲脑科学研讨会上被报道后，受到了包括许多诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞扬。

冷泉港亚洲脑科学研讨会主席、加州大学洛杉矶分校著名的美国神经科学家阿尔西诺·J·西尔瓦教授在他的评论中写道，“无论以何种标准衡量，这种显微镜都代表着一项重大的技术发明，它肯定会改变我们观察*活动动物的细胞和亚细胞结构的方式。它打开了超越神经元和树突成像的大门。系统神经生物学正在进入一个新的时代，即通过对细胞群体中可识别的细胞和亚细胞结构的复杂生物事件的成像观察，可以更深入地理解在进化产生的脑环路中实现复杂行为的核心工程原理。毫无疑问，这项非凡的发明让我们朝着这个目标迈进了一步。”

据悉，目前，研发团队正在领导“十三五”重大科技基础设施建设，并积极参与即将启动的中国脑科学计划。可以预期，小型化双光子荧光显微成像系统将在实现“分析大脑、理解大脑、模仿大脑”的战略目标中发挥不可或缺的重要作用。