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我科學(xué)家成功研制新一代微型顯微鏡
頭戴微型化雙光子顯微鏡的小鼠。北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所供圖
2017年5月31日，北京大學(xué)舉行專題新聞發(fā)布會(huì)，宣布北京大學(xué)聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，成功研制出新一代微型化雙光子熒光顯微鏡。這一微型顯微鏡重量僅為2.2克，可以佩戴在小鼠頭部獲取小鼠在自由行為過程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)清晰、穩(wěn)定的圖像，在國際上被認(rèn)為是該科研領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的重大突破。
小小顯微鏡實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破
人類1400克的大腦，如同一個(gè)小小的宇宙，包含了百億級神經(jīng)元和百萬億級的神經(jīng)突觸，隱藏著世界上最美麗最深邃的奧秘。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界科技強(qiáng)國紛紛啟動(dòng)有史以來最大規(guī)模的腦科學(xué)研究計(jì)劃，人類探索大腦的歷史畫卷正在展開。
工欲善其事，必先利其器。目前，各國腦科學(xué)計(jì)劃的一個(gè)核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究工具。研究工具的研發(fā)，也早已列入我國的科學(xué)計(jì)劃，2012年國家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)“國家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)”計(jì)劃，這款新一代微型化雙光子熒光顯微鏡，就是在這個(gè)專項(xiàng)計(jì)劃的支持下取得的成果。
“如何打破尺度壁壘，整合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)與大腦整體的活動(dòng)和個(gè)體行為信息，是世界腦科學(xué)領(lǐng)域面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。”北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所教授程和平院士介紹說，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡正是在這個(gè)方向上做出突破，它體積小，重量僅2.2克，適于佩戴在小動(dòng)物頭部顱窗上，實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號(hào)。在大型動(dòng)物上，還有望實(shí)現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長時(shí)程觀測。“這種成像技術(shù)改變了在自由活動(dòng)的動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式，可用于在動(dòng)物覓食、哺乳、跳臺(tái)、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，或者在學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)中和學(xué)習(xí)后，長時(shí)程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)變化?！?/span>
據(jù)了解，這項(xiàng)成果得到包括多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的國內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的肯定，美國著名神經(jīng)科學(xué)家阿爾西諾·席爾瓦（Alcino Silva）教授表示：“從任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來看，這款顯微鏡都代表了一項(xiàng)重大技術(shù)發(fā)明，必將改變我們在自由活動(dòng)的動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經(jīng)元和樹突成像。系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，毫無疑問，這項(xiàng)非凡的發(fā)明讓我們向著這一目標(biāo)邁進(jìn)了一步?！?/span>
努力實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑成像技術(shù)
不僅在腦科學(xué)，事實(shí)上在整個(gè)生命科學(xué)的發(fā)展中，成像技術(shù)都是推動(dòng)其進(jìn)步的重要?jiǎng)恿?。但生命科學(xué)的發(fā)展趨勢仍在對成像技術(shù)不斷提出挑戰(zhàn)。“當(dāng)前生命科學(xué)研究已從還原論上升到整體論，即從細(xì)胞層次向整合生物學(xué)發(fā)展，需要新的成像技術(shù)提供支撐?！背毯推秸f。
在這樣的挑戰(zhàn)前，中國科學(xué)家有了和世界競爭的機(jī)遇。
以新一代微型化雙光子熒光顯微鏡為例，其解決了該領(lǐng)域的多個(gè)難題，使中國在微型顯微鏡研究領(lǐng)域處在開始領(lǐng)跑的狀態(tài)：
新一代微型化雙光子熒光顯微鏡相比單光子激發(fā)、雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢，其橫向分辨率達(dá)到0.65微米，成像質(zhì)量與商品化大型臺(tái)式雙光子熒光顯微鏡可相媲美，遠(yuǎn)優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)主導(dǎo)的、美國腦科學(xué)計(jì)劃核心團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的微型化寬場顯微鏡。
此外，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡采用雙軸對稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，成像幀頻已達(dá)40赫茲（256×256像素），同時(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬線的線掃描能力；采用自主設(shè)計(jì)可傳導(dǎo)920納米飛秒激光的光子晶體光纖，該系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對腦科學(xué)領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的指示神經(jīng)元活動(dòng)的熒光探針的有效利用；采用柔性光纖束進(jìn)行熒光信號(hào)的接收，解決了動(dòng)物的活動(dòng)和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。
另據(jù)北京大學(xué)副校長王杰介紹，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡在研制過程中鍛煉了一支以年輕研究員和碩博研究生為主體、具有學(xué)科交叉背景和核心技術(shù)創(chuàng)新能力的“中國智造”隊(duì)伍。
?。ㄘ?zé)任編輯：王蔚）
