顯微鏡把一個全新的世界展現在人類的視野里，人們第一次看到了數以百計的"新的"微小動物和植物，以及從人體到植物纖維等各種東西的內方便就看見部構造。顯微鏡還有助于科學家發現新物種，有助于醫生治療疾病。
近日，由北京大學分子醫學研究所牽頭，聯合北大信息科學技術學院電子學系、工學院以及中國人民解放軍軍事醫學科學院等組成的跨學科團隊，在Nature Methods在線發表題為“Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane, and long-term brain imaging”的文章。
文中報道了第二代微型化雙光子熒光顯微鏡 FHIRM-TPM 2.0，其成像視野是該團隊于2017年發布的第一代微型化顯微鏡的7.8倍，同時具備三維成像能力，獲取了小鼠在自由運動行為中大腦三維區域內上千個神經元清晰穩定的動態功能圖像，并且實現了針對同一批神經元長達一個月的追蹤記錄。
依托兩代微型化雙光子成像技術，該團隊還在南京市江北新區建立了規模化高通量腦功能成像的南京腦觀象臺Nanjing Brian Observatory，于2020年12月10日舉辦了落成典禮。通過與世界范圍內的神經科學家進行廣泛合作，腦觀象臺現正在服務三十多個科研項目，成為開展大型腦科學問題研究的重要科研服務平臺。
南京腦觀象臺揭牌儀式
目前，世界各國的腦科學研究如火如荼，中國的腦計劃也即將啟動。其中，關于全景式解析腦連接圖譜和功能動態圖譜的研究成為重點研究方向，而如何打破尺度壁壘，融合微觀神經元和神經突觸活動與大腦整體的信息處理和個體行為信息，是領域內亟待解決的一個關鍵挑戰。
在國家自然科學基金委重大科研儀器研制專項《超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統》的支持下，該團隊于2017年成功研制了新型微型化雙光子顯微鏡，取名為FHIRM-TPM。其探頭僅重2.2克，適于佩戴在小動物頭部顱窗上，獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經元和神經突觸活動的動態圖像。
該成果獲得了中國科技部評選的2017年度“中國科學進展”，同時與其他自由運動成像技術被Nature Methods雜志評為2018年度方法——“無限制行為動物成像”。
通過對微型光學系統的重新設計，FHIRM-TPM 2.0成像視野擴大至420×420平方微米，微型物鏡的工作距離擴展至1毫米，以實現非侵入式成像；嵌入了可拆卸的快速軸向掃描模塊，實現了180微米深度的三維體成像和多平面快速切換的實時成像。該模塊由一個快速的電動變焦透鏡和一對中繼透鏡組成，在不同深度成像時保持放大倍率恒定。其中，變焦模塊重量1.8克，研究人員可根據實驗需求自由拆卸。
此外，新版微型化成像探頭還可整體即時拔插，極大地簡化了實驗操作，避免了長周期實驗時對動物的干擾。在重復裝卸探頭跟蹤同一批神經元時，視場旋轉角小于0.07弧度，邊界偏差小于35微米。
綜上，FHIRM-TPM 2.0擴大了微型雙光子顯微鏡的適用性和實用性，使神經科學家能夠更自由地探索更多新的行為范式，包括身體運動、長時程的復雜過程，如學習和記憶，社會互動和恐懼條件反射，甚至是慢性疾病的進展和老化，如神經發生和再生，疾病進展和衰老，以破譯大腦的奧秘。在一批“早鳥項目”中，該系統已被多個研究組應用于不同的模式動物和行為范式，如小鼠的社交新穎性識別、斑胸草雀受荷爾蒙調控后大腦特定神經元變化、新型神經遞質乙酰膽堿探針的傳導適應性分析以及獼猴三腦區成像等多項研究。
北京大學分子醫學研究所聯合培養博士宗偉健、吳潤龍為該論文的第一作者，陳良怡、王愛民、吳潤龍為論文的通訊作者。該研究項目由北京大學分子醫學研究所程和平院士主持，得到國家自然科學基金委、國家重大科研儀器研制專項、科技部重點研發計劃和北京大學-清華大學生命科學聯合中心等經費支持。
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