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北京大學(xué)程和平、王愛(ài)民研究團(tuán)隊(duì)日前于《自然-方法》在線發(fā)表研究論文。文章報(bào)道了一款重量?jī)H為2.17克的微型化三光子顯微鏡，能直接透過(guò)大腦皮層和胼胝體，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)啟了新的研究范式。

“事實(shí)上，解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜是各國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃的一個(gè)重點(diǎn)研究方向?！闭n題組成員、北大未來(lái)技術(shù)學(xué)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(zhǎng)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(duì)光的高散射光學(xué)特性，因此突破成像深度極限是長(zhǎng)期以來(lái)困擾神經(jīng)科學(xué)家的一個(gè)極大挑戰(zhàn)?！按饲暗奈⑿蛦喂庾蛹拔⑿投喙庾语@微鏡，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)穿透全皮層直接對(duì)海馬區(qū)進(jìn)行無(wú)損成像?！?/p>

正因如此，打造自由運(yùn)動(dòng)動(dòng)物佩戴式顯微成像類(lèi)研究工具成為當(dāng)務(wù)之急。北京大學(xué)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(gè)小鼠大腦皮層和胼胝體，實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠海馬CA1亞區(qū)的直接觀測(cè)記錄，神經(jīng)元鈣信號(hào)最大成像深度可達(dá)1.2毫米，血管成像深度可達(dá)1.4毫米。另外，在光毒性方面，全皮層鈣信號(hào)成像僅需要幾個(gè)毫瓦，海馬鈣信號(hào)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(xué)構(gòu)型設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)將經(jīng)典阿貝聚光鏡結(jié)構(gòu)引入構(gòu)型設(shè)計(jì)中，使散射熒光收集效率實(shí)現(xiàn)了成倍提升。該顯微鏡可以長(zhǎng)時(shí)間、不間斷連續(xù)觀測(cè)神經(jīng)元功能活動(dòng)，而不產(chǎn)生明顯的光漂白與光損傷。

課題組成員、北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)南京轉(zhuǎn)化研究院研究員張立風(fēng)說(shuō)，利用新研制的微型三光子顯微鏡，團(tuán)隊(duì)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(jué)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的編碼機(jī)制：發(fā)現(xiàn)大約37%的神經(jīng)元在抓取動(dòng)作之前就開(kāi)始活躍且在抓取時(shí)最活躍，大約5.6%的神經(jīng)元在抓取動(dòng)作之后開(kāi)始活躍。

“這說(shuō)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(xué)研究中的應(yīng)用潛力?！北本┐髮W(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任程和平院士強(qiáng)調(diào)。（記者晉浩天）