近日，北京大學(xué)程和平、王愛民團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京信息科技大學(xué)吳潤龍團(tuán)隊(duì)，成功研制多色微型化雙光子顯微鏡（FHIRM-TPM 3.0），實(shí)現(xiàn)在自由活動小鼠的多色、深腦、跨尺度神經(jīng)成像，為解碼復(fù)雜腦功能機(jī)制提供了新工具。相關(guān)研究論文“A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging”在 Nature Methods 在線發(fā)表，獲同期Research Briefing推介。  

論文上線截圖

十年磨劍，打造四代“腦科學(xué)利器”

大腦是自然界最為復(fù)雜精妙的“小宇宙”，由數(shù)百億神經(jīng)元與數(shù)百萬億神經(jīng)突觸協(xié)同運(yùn)作。如何在自由活動的生命體中精準(zhǔn)捕捉神經(jīng)元與突觸活動的動態(tài)變化，是腦科學(xué)研究的一個核心難題。

2014年程和平院士牽頭國家重大儀器裝備項(xiàng)目“超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”，歷時十多年完成四次技術(shù)迭代：

01 Nature Methods, 2017

2017年研制第一代2.2克微型化雙光子顯微鏡，首次實(shí)現(xiàn)自由活動小鼠神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的功能成像。

02 Nature Methods, 2021

2021年第二代系統(tǒng)將視野擴(kuò)大了7.8倍，并具備三維成像能力。

03 Nature Methods, 2023

2023年第三代系統(tǒng)采用三光子熒光成像原理，實(shí)現(xiàn)深腦海馬區(qū)無介入觀測。

04 Nature Methods, 2025

新一代微型化雙光子顯微鏡在多色激發(fā)、深腦觀測與跨尺度成像三個方向同時取得了重要進(jìn)展。

三色直播大腦活動

此前空心光子晶體光纖僅支持單一波長的激光傳輸，限制了多色成像能力。團(tuán)隊(duì)研制出700-1060納米超寬帶反諧振空心光纖，實(shí)現(xiàn)低損耗、低色散、低彎曲損耗的多波長飛秒脈沖激光傳輸。在阿爾茨海默病模型小鼠研究中，獲得了神經(jīng)元鈣信號、線粒體（細(xì)胞器）鈣信號及大腦淀粉樣斑塊沉積的三色同步成像，并發(fā)現(xiàn)疾病早期的線粒體鈣動力學(xué)異常。

視頻1.阿爾茨海默癥模型小鼠神經(jīng)元鈣信號（紅色）、線粒體鈣信號（綠色）與淀粉樣斑塊（藍(lán)色）的三維重建圖像

深腦成像：透視850微米皮層

通過精密光學(xué)設(shè)計(jì)對全系統(tǒng)進(jìn)行色差、球差校正，并優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，新一代系統(tǒng)在小鼠大腦皮層獲取到超過850微米深度的神經(jīng)元鈣信號與結(jié)構(gòu)成像，比此前的微型化雙光子顯微鏡成像深度提高了3倍多。

視頻2.Thy1-YFPH轉(zhuǎn)基因小鼠大腦皮層854微米深度三維成像重建

視野切換：實(shí)現(xiàn)跨尺度成像

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了高分辨、高性能、大視場三款可快速切換的齊焦物鏡，實(shí)現(xiàn)大視場觀測與高分辨精細(xì)成像的無縫轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了從百微米到毫米跨10倍尺度的成像。

視頻3.（左）FHIRM-TPM 3.0高分辨探頭實(shí)現(xiàn)運(yùn)動皮層的神經(jīng)元（紅色）與神經(jīng)元內(nèi)線粒體的空間分布（綠）雙色成像重建；（右）FHIRM-TPM 3.0大視野探頭實(shí)現(xiàn)自由活動小鼠前額葉皮層450顆神經(jīng)元的成像

研究團(tuán)隊(duì)

該論文共同第一作者為北京信息科技大學(xué)教授吳潤龍（時任北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院特聘副研究員）、北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院助理研究員趙春竹、博士研究生邱姍；共同通訊作者為北京大學(xué)程和平、王愛民與北京信息科技大學(xué)吳潤龍。項(xiàng)目得到科技創(chuàng)新 2030-“腦科學(xué)與類腦研究” 重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、國家重大科研儀器研制專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)支持。

【參考文獻(xiàn)】

Wu, R., Zhao, C., Qiu, S. et al. A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging. Nat Methods (2025). https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6