我科學家研製出多色微型化雙光子顯微鏡

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、最複雜的領域不只有遙不可及的星河，還有近在咫尺的大腦。這座由數百億神經元和數百萬億突觸交織而成的“小宇宙”，如何在其自然運作的狀態下被清晰觀測，一直是科學家面臨的巨大挑戰。近日，由北京大學程和平院士與王愛民教授團隊聯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——他們成功研製出僅重2.6克的多色微型化雙光子顯微鏡，首次實現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”。這項成果日前發表於國際學術期刊《自然·方法》，並獲同期研究簡報特別推介。

記者瞭解到，自2014年程和平牽頭國家重大科研儀器研製項目以來，團隊先後完成四次技術迭代。從2017年第一代僅重2.2克、首次實現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倍並實現三維成像，再到2023年第三代藉助三光子成像穿透至深腦海馬區——每一步都凝聚着跨學科合作的智慧與堅持。

而最新問世的第四代系統，更是在多色激發、深腦成像與多尺度觀測三個維度齊頭並進，實現了標誌性的技術突破。其中，團隊成功研製出700至1060納米超寬帶反諧振空芯光纖，一舉解決了傳統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衝激光得以低損耗、低色散地傳輸，從而為同時觀測多種細胞功能結構奠定了物理基礎。

正如吳潤龍所説：“這相當於在給大腦‘彩色直播’神經元與細胞器的動態活動。”在阿爾茨海默病模型小鼠實驗中，團隊成功同步捕獲了神經元鈣信號、線粒體鈣信號和澱粉樣斑塊沉積的三色影像，並發現疾病早期的線粒體鈣動力學異常——這不僅展示了儀器強大的功能，更體現了其在揭示神經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跨越式進展。吳潤龍介紹，通過精密光學設計與系統級的像差校正，團隊將成像深度推進至850微米皮層區域，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構中的神經活動不再是夢想。

更令人稱道的，是該系統在成像尺度上的無縫切換能力。團隊創新設計了三款可快速替換的齊焦物鏡，分別適用於高分辨率精細成像、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，屏幕上即時影像即刻由“精微特寫”轉變為“廣角全景”，真正實現了“換物鏡如擰螺釘”般便捷高效的多尺度觀測。

程和平説，多年來，多色熒光標記無創深腦成像能力只能在大型台式設備上實現，團隊首次解決了微型化雙光子顯微鏡多色激發成像的難題，為研究大腦複雜網絡帶來突破性進展。未來，該技術將在理解腦認知原理、腦疾病機制研究、神經藥物評估以及腦機接口等領域具有廣泛應用前景。