2017中國光學(xué)重要成果推薦
 

宇宙，浩瀚無垠，在數(shù)百億光年可觀測(cè)的空間里閃爍著上萬億個(gè)星系。人類約1400克的大腦,如同一個(gè)小小的宇宙，包含了百億級(jí)神經(jīng)元和百萬億級(jí)的神經(jīng)突觸，其結(jié)構(gòu)和功能上的連接產(chǎn)生了極其復(fù)雜而精密的動(dòng)態(tài)，涌現(xiàn)出意識(shí)和思想——大腦小宇宙隱藏著世界上最美麗、最深邃的奧秘。

 

新千年伊始，世界科技強(qiáng)國紛紛啟動(dòng)有史以來最大規(guī)模的腦科學(xué)研究計(jì)劃，人類探索大腦的波瀾壯闊的歷史畫卷正在展開。

圖1  充滿奧秘的人類大腦

 

工欲善其事，必先利其器。目前，各國腦科學(xué)計(jì)劃的一個(gè)核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究工具。其中，如何打破尺度壁壘，融合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)與大腦整體的信息處理和個(gè)體行為信息，是腦科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

 

在國家自然科學(xué)基金委國家重大科研儀器研制專項(xiàng)《超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)》的支持下，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、動(dòng)態(tài)成像中心、生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)三年多的協(xié)同奮戰(zhàn)，成功研制新一代高速高分辨微型雙光子熒光顯微鏡，并獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)清晰、穩(wěn)定的圖像。原始論文于5月29日在線發(fā)表于自然雜志子刊Nature Methods，相關(guān)技術(shù)文檔同步發(fā)表于Protocol Exchange (DOI: 10.1038/protex.2017.048)。

圖2 研究團(tuán)隊(duì)合影

 

新一代微型雙光子熒光顯微鏡體積小，重僅2.2 g，適于佩戴在小動(dòng)物頭部顱窗上，實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號(hào)。在大型動(dòng)物上，還可望實(shí)現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長時(shí)程觀測(cè)。相比單光子激發(fā)，雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢(shì)，所以成像質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)主導(dǎo)的、美國腦科學(xué)計(jì)劃核心團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的微型化寬場(chǎng)顯微鏡。

 

其橫向分辨率達(dá)到0.65 μm，與商品化大型臺(tái)式雙光子熒光顯微鏡可相媲美；采用雙軸對(duì)稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，成像幀頻已達(dá)40 Hz（256*256像素），同時(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬線的線掃描能力。

 

此外，采用自主設(shè)計(jì)可傳導(dǎo)920 nm飛秒激光的光子晶體光纖，該系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對(duì)腦科學(xué)領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的指示神經(jīng)元活動(dòng)的熒光探針（如GCaMP6）的有效利用。同時(shí)其采用柔性光纖束進(jìn)行熒光信號(hào)的接收，從而解決了動(dòng)物的活動(dòng)和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。

 

未來，與光遺傳學(xué)技術(shù)的結(jié)合，可望在結(jié)構(gòu)與功能成像的同時(shí)，精準(zhǔn)地操控神經(jīng)元和大腦神經(jīng)回路的活動(dòng)。微型雙光子熒光顯微鏡整機(jī)性能十分穩(wěn)定，可用于在動(dòng)物覓食、跳臺(tái)、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，或者在學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)中和學(xué)習(xí)后，長時(shí)程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)變化。

 

圖3  微型雙光子熒光顯微鏡的設(shè)計(jì)和組裝

 

該成果在2016年底美國神經(jīng)科學(xué)年會(huì)、2017年5月冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議上報(bào)告后，得到包括多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的國內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的高度贊譽(yù)。冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議主席、美國著名神經(jīng)科學(xué)家加州大學(xué)洛杉磯分校的Alcino J. Silva教授在評(píng)述中寫道，“從任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來看，這款顯微鏡都代表了一項(xiàng)重大技術(shù)發(fā)明，必將改變我們?cè)谧杂苫顒?dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經(jīng)元和樹突成像。系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，即通過對(duì)細(xì)胞群體中可辨識(shí)的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜生物學(xué)事件進(jìn)行成像觀測(cè)，從而更加深刻地理解進(jìn)化所造就的大腦環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為的核心工程學(xué)原理。毫無疑問，這項(xiàng)非凡的發(fā)明讓我們向著這一目標(biāo)邁進(jìn)了一步。”

 

新一代微型雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)的成功研制是國家重大科研儀器研制專項(xiàng)的一個(gè)碩果。它彰顯了北京大學(xué)在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域先期布局的前瞻性，鍛煉了一支以年輕PI和碩博研究生為主體、具有學(xué)科交叉背景和核心技術(shù)創(chuàng)新能力的“中國智造”隊(duì)伍。目前，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在領(lǐng)銜建設(shè)“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像”十三五國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，積極參與即將啟動(dòng)的中國腦科學(xué)計(jì)劃。可以期待，微型雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)將為實(shí)現(xiàn)“分析腦、理解腦、模仿腦”的戰(zhàn)略目標(biāo)發(fā)揮不可或缺的重要作用。

 

論文鏈接：

http://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.4305.html