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【科技前沿】
北京大學程和平、王愛民研究團隊日前于《自然-方法》在線發表研究論文。文章報道了一款重量僅為2.17克的微型化三光子顯微鏡，能直接透過大腦皮層和胼胝體，首次實現對自由行為小鼠的大腦全皮層和海馬神經元功能成像，為揭示大腦深部結構中的神經機制開啟了新的研究范式。
“事實上，解析腦連接圖譜和功能動態圖譜是各國腦科學計劃的一個重點研究方向。”課題組成員、北大未來技術學院博士后趙春竹介紹，海馬體位于皮層和胼胝體下面，在短期記憶到長期記憶的鞏固、空間記憶和情緒編碼等方面起著重要作用。由于大腦組織，特別是胼胝體，具有對光的高散射光學特性，因此突破成像深度極限是長期以來困擾神經科學家的一個極大挑戰。“此前的微型單光子及微型多光子顯微鏡，均無法實現穿透全皮層直接對海馬區進行無損成像。”
正因如此，打造自由運動動物佩戴式顯微成像類研究工具成為當務之急。北京大學最新研制的微型化三光子顯微鏡突破了此前成像深度極限：顯微鏡激發光路可以穿透整個小鼠大腦皮層和胼胝體，實現對小鼠海馬CA1亞區的直接觀測記錄，神經元鈣信號最大成像深度可達1.2毫米，血管成像深度可達1.4毫米。另外，在光毒性方面，全皮層鈣信號成像僅需要幾個毫瓦，海馬鈣信號成像僅需要20至50毫瓦，大大低于組織損傷的安全閾值。
該款微型三光子顯微鏡成像深度的突破得益于全新的光學構型設計。研究團隊將經典阿貝聚光鏡結構引入構型設計中，使散射熒光收集效率實現了成倍提升。該顯微鏡可以長時間、不間斷連續觀測神經元功能活動，而不產生明顯的光漂白與光損傷。
課題組成員、北京大學分子醫學南京轉化研究院研究員張立風說，利用新研制的微型三光子顯微鏡，團隊還研究了小鼠頂葉皮層第六層神經元在抓取糖豆這一感覺運動過程中的編碼機制：發現大約37%的神經元在抓取動作之前就開始活躍且在抓取時最活躍，大約5.6%的神經元在抓取動作之后開始活躍。
“這說明不同神經元參與了不同階段的編碼，也初步展示了微型化三光子顯微鏡在腦科學研究中的應用潛力。”北京大學國家生物醫學成像科學中心主任程和平院士強調。（記者晉浩天）
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