北京大学第二代微型化双光子显微镜问世

2021年1月6日，由北京大学分子医学研究所牵头，联合北大信息科学技术学院电子学系、工学院以及中国人民解放军军事医学科学院等组成的跨学科团队，在Nature Methods在线发表题为“Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane, and long-term brain imaging”的文章。文中报道了第二代微型化双光子荧光显微镜FHIRM-TPM 2.0（见图)，其成像视野是该团队于2017年发布的第一代微型化显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能力，获取了小鼠在自由运动行为中大脑三维区域内上千个神经元清晰稳定的动态功能图像，并且实现了针对同一批神经元长达一个月的追踪记录。

目前，世界各国的脑科学研究如火如荼，中国的脑计划也即将启动。其中，关于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究成为重点研究方向，而如何打破尺度壁垒，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，是领域内亟待解决的一个关键挑战。

在国家自然科学基金委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，该团队于2017年成功研制了新型微型化双光子显微镜，取名为FHIRM-TPM。其探头仅重2.2克，适于佩戴在小动物头部颅窗上，首次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的动态图像。该成果获得了中国科技部评选的2017年度“中国科学十大进展”，同时与其他自由运动成像技术被Nature Methods杂志评为2018年度方法——“无限制行为动物成像”。

FHIRM-TPM 2.0小鼠佩戴实物图

通过对微型光学系统的重新设计，FHIRM-TPM 2.0成像视野扩大至420×420平方微米，微型物镜的工作距离扩展至1毫米，以实现非侵入式成像；嵌入了可拆卸的快速轴向扫描模块，实现了180微米深度的三维体成像和多平面快速切换的实时成像。该模块由一个快速的电动变焦透镜和一对中继透镜组成，在不同深度成像时保持放大倍率恒定。其中，变焦模块重量1.8克，研究人员可根据实验需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探头还可整体即时拔插，极大地简化了实验操作，避免了长周期实验时对动物的干扰。在重复装卸探头跟踪同一批神经元时，视场旋转角小于0.07弧度，边界偏差小于35微米。

综上，FHIRM-TPM 2.0扩大了微型双光子显微镜的适用性和实用性，使神经科学家能够更自由地探索更多新的行为范式，包括身体运动、长时程的复杂过程，如学习和记忆、社会互动和恐惧条件反射，甚至是慢性疾病的进展和老化，如神经发生和再生、疾病进展和衰老，以破译大脑的奥秘。在一批“早鸟项目”中，该系统已被多个研究组应用于不同的模式动物和行为范式，如小鼠的社交新颖性识别、斑胸草雀受荷尔蒙调控后大脑特定神经元变化、新型神经递质乙酰胆碱探针的传导适应性分析以及猕猴三脑区成像等多项研究。

依托两代微型化双光子成像技术，该团队还在南京市江北新区建立了规模化高通量脑功能成像的南京脑观象台（Nanjing Brian Observatory），于2020年12月10日举办了落成典礼。通过与世界范围内的神经科学家进行广泛合作，脑观象台现正在服务三十多个科研项目，成为开展大型脑科学问题研究的重要科研服务平台。

北京大学分子医学研究所联合培养博士宗伟健（时任军事医学科学院助理研究员）、吴润龙为该论文的第一作者，陈良怡、王爱民、吴润龙为论文的通讯作者。该研究项目由北京大学分子医学研究所程和平院士主持，得到国家自然科学基金委、国家重大科研仪器研制专项、科技部重点研发计划和北京大学-清华大学生命科学联合中心等经费支持。