多色微型化雙光子顯微鏡助力自由活動(dòng)小鼠多色、深腦、跨尺度神經(jīng)成像
近日，北京大學(xué)程和平、王愛民團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京信息科技大學(xué)吳潤(rùn)龍團(tuán)隊(duì)，成功研制多色微型化雙光子顯微鏡（FHIRM-TPM 3.0），實(shí)現(xiàn)在自由活動(dòng)小鼠的多色、深腦、跨尺度神經(jīng)成像，為解碼復(fù)雜腦功能機(jī)制提供了新工具。相關(guān)研究論文“A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging”在 Nature Methods 在線發(fā)表，獲同期Research Briefing推介。
論文上線截圖
2014年程和平院士牽頭國(guó)家重大儀器裝備項(xiàng)目“超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”，歷時(shí)十多年完成四次技術(shù)迭代：
01 Nature Methods, 2017
2017年研制第一代2.2克微型化雙光子顯微鏡，首次實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)小鼠神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的功能成像。
02 Nature Methods, 2021
2021年第二代系統(tǒng)將視野擴(kuò)大了7.8倍，并具備三維成像能力。
03 Nature Methods, 2023
2023年第三代系統(tǒng)采用三光子熒光成像原理，實(shí)現(xiàn)深腦海馬區(qū)無(wú)介入觀測(cè)。
04 Nature Methods, 2025
新一代微型化雙光子顯微鏡在多色激發(fā)、深腦觀測(cè)與跨尺度成像三個(gè)方向同時(shí)取得了重要進(jìn)展。
視頻1.阿爾茨海默癥模型小鼠神經(jīng)元鈣信號(hào)（紅色）、線粒體鈣信號(hào)（綠色）與淀粉樣斑塊（藍(lán)色）的三維重建圖像
視頻3.（左）FHIRM-TPM 3.0高分辨探頭實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)元（紅色）與神經(jīng)元內(nèi)線粒體的空間分布（綠）雙色成像重建；（右）FHIRM-TPM 3.0大視野探頭實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)小鼠前額葉皮層450顆神經(jīng)元的成像
研究團(tuán)隊(duì)
該論文共同第一作者為北京信息科技大學(xué)教授吳潤(rùn)龍（時(shí)任北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院特聘副研究員）、北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院助理研究員趙春竹、博士研究生邱姍；共同通訊作者為北京大學(xué)程和平、王愛民與北京信息科技大學(xué)吳潤(rùn)龍。項(xiàng)目得到科技創(chuàng)新 2030-“腦科學(xué)與類腦研究” 重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重大科研儀器研制專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)支持。
【參考文獻(xiàn)】
Wu, R., Zhao, C., Qiu, S. et al. A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging. Nat Methods (2025). https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6
論文上線截圖十年磨劍，打造四代“腦科學(xué)利器”
大腦是自然界最為復(fù)雜精妙的“小宇宙”，由數(shù)百億神經(jīng)元與數(shù)百萬(wàn)億神經(jīng)突觸協(xié)同運(yùn)作。如何在自由活動(dòng)的生命體中精準(zhǔn)捕捉神經(jīng)元與突觸活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化，是腦科學(xué)研究的一個(gè)核心難題。2014年程和平院士牽頭國(guó)家重大儀器裝備項(xiàng)目“超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”，歷時(shí)十多年完成四次技術(shù)迭代：
01 Nature Methods, 2017
2017年研制第一代2.2克微型化雙光子顯微鏡，首次實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)小鼠神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的功能成像。
02 Nature Methods, 2021
2021年第二代系統(tǒng)將視野擴(kuò)大了7.8倍，并具備三維成像能力。
03 Nature Methods, 2023
2023年第三代系統(tǒng)采用三光子熒光成像原理，實(shí)現(xiàn)深腦海馬區(qū)無(wú)介入觀測(cè)。
04 Nature Methods, 2025
新一代微型化雙光子顯微鏡在多色激發(fā)、深腦觀測(cè)與跨尺度成像三個(gè)方向同時(shí)取得了重要進(jìn)展。
三色直播大腦活動(dòng)
此前空心光子晶體光纖僅支持單一波長(zhǎng)的激光傳輸，限制了多色成像能力。團(tuán)隊(duì)研制出700-1060納米超寬帶反諧振空心光纖，實(shí)現(xiàn)低損耗、低色散、低彎曲損耗的多波長(zhǎng)飛秒脈沖激光傳輸。在阿爾茨海默病模型小鼠研究中，獲得了神經(jīng)元鈣信號(hào)、線粒體（細(xì)胞器）鈣信號(hào)及大腦淀粉樣斑塊沉積的三色同步成像，并發(fā)現(xiàn)疾病早期的線粒體鈣動(dòng)力學(xué)異常。深腦成像：透視850微米皮層
通過(guò)精密光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行色差、球差校正，并優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，新一代系統(tǒng)在小鼠大腦皮層獲取到超過(guò)850微米深度的神經(jīng)元鈣信號(hào)與結(jié)構(gòu)成像，比此前的微型化雙光子顯微鏡成像深度提高了3倍多。視頻2.Thy1-YFPH轉(zhuǎn)基因小鼠大腦皮層854微米深度三維成像重建
視野切換：實(shí)現(xiàn)跨尺度成像
團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了高分辨、高性能、大視場(chǎng)三款可快速切換的齊焦物鏡，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)觀測(cè)與高分辨精細(xì)成像的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了從百微米到毫米跨10倍尺度的成像。 研究團(tuán)隊(duì)
該論文共同第一作者為北京信息科技大學(xué)教授吳潤(rùn)龍（時(shí)任北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院特聘副研究員）、北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院助理研究員趙春竹、博士研究生邱姍；共同通訊作者為北京大學(xué)程和平、王愛民與北京信息科技大學(xué)吳潤(rùn)龍。項(xiàng)目得到科技創(chuàng)新 2030-“腦科學(xué)與類腦研究” 重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重大科研儀器研制專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)支持。
【參考文獻(xiàn)】
Wu, R., Zhao, C., Qiu, S. et al. A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging. Nat Methods (2025). https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6
標(biāo)簽：
多色微型化雙光子顯微鏡
顯微成像
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