科普丨大脑神经元成像 新一代微型化双光子荧光显微镜

 新一代微型化双光子荧光显微成像改变了在自由活动动物中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，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化，被2014诺贝尔生物学或医学奖得主Edvard I. Moser教授称之为研究大脑空间定位神经系统革命性的新工具。

记录小鼠运动、社交时脑神经活动

新一代微型化双光子荧光显微镜体积小，重仅2.2克，适于佩戴在小动物头部颅窗上，实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。

双光子荧光显微镜小鼠佩戴示意图

相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，其横向分辨率达到0.65μm，成像质量与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美，远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz（256*256像素），同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。此外，采用自主设计可传导920nm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最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针（如GCaMP6）的有效利用。同时采用柔性光纤束进行荧光信号的接收，解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和神经回路的活动。

双光子荧光显微镜成像质量可媲美台式双光子显微镜

该研究成果已在2017年发表于Nature Methods（IF 25.3），被评选为2017年中国科学十大进展、2017年中国十大医学科技新闻、2017年中国生命科学十大进展、2018年Nature Methods年度方法“自由行为动物成像技术”。

在小动物脑科学应用的同时，课题组同时致力于开拓基于此技术的各类医疗产品的研发，已经开始尝试在皮肤，腹腔，肠胃，妇科等临床领域开发产品及应用场景。本实验室结合广州本地在医疗产业，光电产业，资本市场，政府发展战略支持等多方位的优势，致力于发展基于自我原始创新技术的医疗产业化落地和创新发展。