人类1400克的大脑包含着百亿级神经元和百万亿级的神经突触,其结构和功能上极其复杂、极其精密的连接涌现出意识和思想。近年来,世界科技强国纷纷启动脑科学研究计划,核心方向之一就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。如何打破尺度壁垒、整合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的活动和个体行为信息,是亟待解决的关键性挑战。

在由北京大学分子医学研究所程和平院士牵头的国家重大科研仪器研制专项“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”支持下,北京大学信息科学技术学院、生物动态光学成像中心、生命科学学院、工学院,联合中国人民解放军军事医学科学院所组成的跨学科团队,成功研制出新一代高速、高分辨、微型化双光子荧光显微镜,并获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像;相关成果于20175月底以《获取自由行为小鼠脑成像的超高分辨率微型化双光子荧光显微镜》(Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice)为题,在线发表于《自然方法》(Nature Methods)。

北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所王爱民副教授作为项目团队中激光光纤课题组负责人,带领研究生开发特殊掺杂介质生物波长需求的超快飞秒激光器,实现便携式可移动的大型双光子系统,从而大大降低双光子显微镜和光源的成本,为其临床医疗应用推广奠定了基础;此外,该课题组设计、开发特殊生物波长的超短脉冲传导空心光纤,成功解决了微型化成像中生物学家最关心的绿色荧光蛋白(GFP)难以成像的痛点问题,为微型化显微镜在生物学领域的实际应用建立起真正的有效结合。应用电子学研究所张云峰工程师作为电路课题组负责人,带领研究生先后完成2P3A-DSLM双光子显微镜、大视场光片显微镜、高速高分辨微型化双光子荧光显微镜等控制系统的设计与实现,起到了有力的支撑作用。

新一代微型化双光子荧光显微镜体积小,仅重2.2 克,适于佩戴在小动物头部颅窗上,可实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号;与单光子激发相比,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,成像质量可与商品化大型台式双光子荧光显微镜相媲美,远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划(BRAIN)核心团队所研发的微型化宽场显微镜。

新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制是国家重大科研仪器研制专项的重要硕果,将为实现分析脑、理解脑、模仿脑的战略目标发挥不可或缺的重要作用。


 

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