宇宙,浩瀚无垠,在数百亿光年可观测的空间里闪烁着上万亿个星系。人类约1400克的大脑,如同一个小小的宇宙,包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触,其结构和功能上的连接产生了极其复杂而精密的动态,涌现出意识和思想——大脑小宇宙隐藏着世界上最美丽、最深邃的奥秘。新千年伊始,世界科技强国纷纷启动有史以来最大规模的脑科学研究计划,人类探索大脑的波澜壮阔的历史画卷正在展开。


图1 充满奥秘的人类大脑

工欲善其事,必先利其器。目前,各国脑科学计划的一个核心方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。其中,如何打破尺度壁垒,融合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的信息处理和个体行为信息,是脑科学领域内亟待解决的一个关键挑战。

在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下,北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队,历经三年多的协同奋战,成功研制新一代高速高分辨微型双光子荧光显微镜,并获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。原始论文于5月29日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods,相关技术文档同步发表于Protocol Exchange (DOI: 10.1038/protex.2017.048)。


图2 研究团队合影

新一代微型双光子荧光显微镜体积小,重仅2.2克,适于佩戴在小动物头部颅窗上,实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上,还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发,双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势,所以成像质量远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。其横向分辨率达到0.65 μm,与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美;采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,成像帧频已达40 Hz(256*256像素),同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。此外,采用自主设计可传导920 nm飞秒激光的光子晶体光纤,该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针(如GCaMP6)的有效利用。同时其采用柔性光纤束进行荧光信号的接收,从而解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。未来,与光遗传学技术的结合,可望在结构与功能成像的同时,精准地操控神经元和大脑神经回路的活动。微型双光子荧光显微镜整机性能十分稳定,可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下,或者在学习前、学习中和学习后,长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。


图3 微型双光子荧光显微镜的设计和组装

该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后,得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J. Silva教授在评述中写道,“从任何一个标准来看,这款显微镜都代表了一项重大技术发明,必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门,甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代,即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测,从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。毫无疑问,这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。”

新一代微型双光子荧光显微成像系统的成功研制是国家重大科研仪器研制专项的一个硕果。它彰显了北京大学在生物医学成像领域先期布局的前瞻性,锻炼了一支以年轻PI和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和核心技术创新能力的“中国智造”队伍。目前,该研发团队正在领衔建设“多模态跨尺度生物医学成像”十三五国家重大科技基础设施,积极参与即将启动的中国脑科学计划。可以期待,微型双光子荧光显微成像系统将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用。

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