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人腦包含百億級神經元和百萬億級的神經突觸，其結構和功能上極其復雜精密的連接和相互作用，是意識和思想涌現的物質基礎。研制用于解析腦連接圖譜和功能動態圖譜的研究工具是各國腦科學計劃的一個核心方向。24日，北京大學程和平、王愛民研究團隊在《自然-方法》雜志在線發表一項最新研究成果：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中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。
圖為佩戴微型化三光子顯微鏡的小鼠（研究團隊提供）
課題組成員、北大未來技術學院博士后趙春竹介紹，海馬體位于大腦皮層和胼胝體下面，在記憶鞏固、空間記憶和情緒編碼等方面起重要作用。但由于大腦組織特別是胼胝體對傳播光束具有高散射特性，突破胼胝體實現大腦深層直接成像成為長期以來神經科學家面臨的極大挑戰。此前，國際上已知的微型化多光子顯微鏡均無法實現穿透全皮層直接對海馬體進行無損成像。
據悉，此次新研制的微型化三光子顯微鏡一舉突破了此前的成像深度極限：顯微鏡激發光路可穿透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。
這一成像深度的突破得益于該顯微鏡全新的光學構型設計，使散射熒光收集效率實現了成倍提升。此外，該顯微鏡還可長時間、不間斷地觀測神經元功能活動而不產生明顯的光漂白與光損傷。
圖為使用微型化三光子顯微鏡對小鼠大腦皮層和海馬CA1亞區結構成像（研究團隊提供）
北京大學國家生物醫學成像科學中心主任程和平院士說，利用該顯微鏡，團隊研究了小鼠大腦頂葉皮層第六層神經元在抓取糖豆過程中的編碼機制，發現約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，約5.6%的神經元在抓取動作后開始活躍。
“這顯示出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。”程和平表示，這一成像技術為人類更深入探尋大腦的奧秘、揭秘腦功能連接圖譜提供了重要工具。
2017年，程和平團隊成功研制第一代微型化雙光子顯微鏡，獲取了小鼠在自由行為過程中大腦皮層神經元和神經突觸活動的動態圖像。2021年，團隊研制的第二代微型化雙光子顯微鏡將成像視野擴大了7.8倍，具備獲取大腦皮層上千個神經元功能信號的三維成像能力。
