光明日報 2025-08-27 07:49:17
本報北京8月25日電(記者晉浩天)在人類探索科學奧秘的征程中,最深邃、最復雜的領(lǐng)域不只有遙不可及的星河,還有近在咫尺的大腦。這座由數(shù)百億神經(jīng)元和數(shù)百萬億突觸交織而成的“小宇宙”,如何在其自然運作的狀態(tài)下被清晰觀測,一直是科學家面臨的巨大挑戰(zhàn)。近日,由北京大學程和平院士與王愛民教授團隊聯(lián)手北京信息科技大學吳潤龍教授團隊所取得的突破,正為這個世界級難題提供了一把鑰匙——他們成功研制出僅重2.6克的多色微型化雙光子顯微鏡,首次實現(xiàn)自由活動小鼠高分辨率的深腦雙光子彩色成像,為大腦打開了一扇“彩色視窗”。這項成果日前發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然·方法》,并獲同期研究簡報特別推介。
記者了解到,自2014年程和平牽頭國家重大科研儀器研制項目以來,團隊先后完成四次技術(shù)迭代。從2017年第一代僅重2.2克、首次實現(xiàn)自由活動動物突觸水平成像的微型顯微鏡,到2021年第二代視野擴大7.8倍并實現(xiàn)三維成像,再到2023年第三代借助三光子成像穿透至深腦海馬區(qū)——每一步都凝聚著跨學科合作的智慧與堅持。
而最新問世的第四代系統(tǒng),更是在多色激發(fā)、深腦成像與多尺度觀測三個維度齊頭并進,實現(xiàn)了標志性的技術(shù)突破。其中,團隊成功研制出700至1060納米超寬帶反諧振空芯光纖,一舉解決了傳統(tǒng)帶隙空心光子晶體光纖僅支持單色激光的限制。這項革新使得多波長飛秒脈沖激光得以低損耗、低色散地傳輸,從而為同時觀測多種細胞功能結(jié)構(gòu)奠定了物理基礎(chǔ)。
正如吳潤龍所說:“這相當于在給大腦‘彩色直播’神經(jīng)元與細胞器的動態(tài)活動?!痹诎柎暮D∧P托∈髮嶒炛校瑘F隊成功同步捕獲了神經(jīng)元鈣信號、線粒體鈣信號和淀粉樣斑塊沉積的三色影像,并發(fā)現(xiàn)疾病早期的線粒體鈣動力學異?!@不僅展示了儀器強大的功能,更體現(xiàn)了其在揭示神經(jīng)疾病機制方面的巨大潛力。
在深腦成像方面,新一代顯微鏡同樣實現(xiàn)跨越式進展。吳潤龍介紹,通過精密光學設(shè)計與系統(tǒng)級的像差校正,團隊將成像深度推進至850微米皮層區(qū)域,比此前微型雙光子顯微鏡的深度提升了三倍以上,使得觀測自由活動動物大腦深層結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)活動不再是夢想。
更令人稱道的,是該系統(tǒng)在成像尺度上的無縫切換能力。團隊創(chuàng)新設(shè)計了三款可快速替換的齊焦物鏡,分別適用于高分辨率精細成像、大視場觀測和高性能信號收集。團隊成員演示時僅用30秒便完成物鏡更換,屏幕上實時影像即刻由“精微特寫”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬V角全景”,真正實現(xiàn)了“換物鏡如擰螺釘”般便捷高效的多尺度觀測。
程和平說,多年來,多色熒光標記無創(chuàng)深腦成像能力只能在大型臺式設(shè)備上實現(xiàn),團隊首次解決了微型化雙光子顯微鏡多色激發(fā)成像的難題,為研究大腦復雜網(wǎng)絡帶來突破性進展。未來,該技術(shù)將在理解腦認知原理、腦疾病機制研究、神經(jīng)藥物評估以及腦機接口等領(lǐng)域具有廣泛應用前景。
責編:王銘俊
一審:王銘俊
二審:劉文韜
三審:楊又華
來源:光明日報
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