京津冀中心创新成果丨微型化双光子显微镜助力诺奖实验室

北京时间2022年2月15日，诺奖实验室Edvard I. Moser教授实验室利用新一代微型化双光子技术对内侧内嗅皮层的功能网络拓扑结构进行了深入研究，相关研究成果“Functional network topography of the medial entorhinal cortex”发表于国际知名期刊PNAS。北京大学未来技术学院、北京大学分子医学南京转化研究院、北京人工智能研究院等单位参与合作。 

京津冀国家技术创新中心学术合伙人、北京大学程和平院士及其团队研发的微型化双光子显微成像系统（Nat Methods. 2017 Jul;14(7):713-719.），帮助EdvardI. Moser教授在世界上第一次获取了对同一动物的内侧内嗅皮层（MEC）中的网格细胞、头方向细胞、边界细胞以及对象向量细胞进行钙成像。

该研究需要活体动物在不受限制的自由活动期间采集大量神经元的精确位置信息和活动数据，而普通的电生理手段和以往的成像手段都不能满足此类需求。

图一：在 MEC 中使用微型化双光子显微镜进行钙成像

研究发现网格细胞和对象向量细胞的相互重叠度极低，且在解剖学上呈现明显的聚集特征，而头方向细胞，边界细胞和对象向量细胞等大多数细胞类型则混合在一起。

研究结果暗示网格细胞形成的神经网络显著不同于头方向细胞，边界细胞和对象向量细胞等形成的神经网络，且网格细胞与其他细胞类型的耦合程度较低。

图二：在不受约束行为期间，MEC 中所有功能细胞类型的微型化双光子显微成像

Moser教授表示双光子在体钙成像非常适合进行类似的研究，因为它具有光学切片能力、成像分辨率高以及在大视场 (FOV) 中同时记录数百个细胞等特点。而“微型化双光子技术将在活体动物神经成像中占主导地位”。

 图三：网格细胞在解剖学上聚集

研究展示了最新发布的微型化双光子显微镜的升级版本，可以在动物自由行动的状态下大面积获取小鼠 MEC 的 II/III 层和邻近结构的成像数据。

该技术能够同时记录到一百多个神经元，并且可以于动物在方形旷场自由觅食的同时研究它们的空间调谐特性。这些数据能够在准自然条件下获得同一功能神经元和不同功能神经元之间的相对空间位置信息和神经活动信息。

微型化双光子显微成像系统结合可巧妙标记细胞亚群的遗传学技术，将会使科学家们更深入了解不同细胞类型之间的功能是如何协调的。

南京脑观象台倾力打造的 “高通量、定制化、一站式”的自由行为动物脑功能成像平台，以微型化双光子技术服务为核心，为全世界的科学家搭建了一个绝佳的技术交流与融合平台。

2019年Moser教授专诚录制视频表达了对微型化双光子技术的盛赞，并祝贺南京脑观象台的建成。

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南京脑观象台成立至今已经服务了国内外五十余所高校和科研院所，建立了从动物手术、载体表达，到行为训练、组织切片，再到图像大数据处理、分析与可视化等多学科技术，将研究者从繁琐高难的技术细节中解放出来，成十倍、成百倍地加速从设想到发现的进程，大大降低了自由行为动物脑功能成像的门槛，为解决脑科学家、脑药学家、脑医学家的科学问题提供强大的助力。

内容参考：

http://www.news.zju.edu.cn/2017/0925/c749a641365/pagem.htm

论文来源：

https://doi.org/10.1073/pnas.2121655119

https://www.nature.com/articles/nmeth.4305

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