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人腦(nao)(nao)(nao)包含百億(yi)級(ji)神經元和百萬(wan)億(yi)級(ji)的(de)神經突觸(chu)，其結(jie)構和功(gong)能(neng)上極其復(fu)雜精(jing)密的(de)連接(jie)(jie)和相互作用，是(shi)意識和思想涌現的(de)物質基礎。研(yan)(yan)制(zhi)用于(yu)解析腦(nao)(nao)(nao)連接(jie)(jie)圖(tu)譜和功(gong)能(neng)動(dong)態圖(tu)譜的(de)研(yan)(yan)究(jiu)工(gong)具是(shi)各國腦(nao)(nao)(nao)科學計(ji)劃(hua)的(de)一(yi)個核(he)心方(fang)(fang)向。2月24日，北京(jing)大(da)學程和平(ping)、王愛民(min)研(yan)(yan)究(jiu)團隊在《自然-方(fang)(fang)法》雜志(zhi)在線發表一(yi)項(xiang)最(zui)新(xin)研(yan)(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)：一(yi)款重量僅為(wei)2.17克的(de)微(wei)型化三光子顯微(wei)鏡，能(neng)直接(jie)(jie)透(tou)過(guo)大(da)腦(nao)(nao)(nao)皮層和胼(pian)胝(zhi)體，首次實現對自由行為(wei)中小鼠的(de)大(da)腦(nao)(nao)(nao)全皮層和海馬神經元功(gong)能(neng)成(cheng)像，為(wei)揭(jie)示大(da)腦(nao)(nao)(nao)深部(bu)結(jie)構中的(de)神經機(ji)制(zhi)開(kai)啟了(le)新(xin)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)范式(shi)。
圖為(wei)佩戴微(wei)型化三光(guang)子(zi)顯微(wei)鏡的小鼠(shu)（研究團隊提供）
課題組成(cheng)員、北大(da)(da)未(wei)來技術(shu)學(xue)院博士后趙春竹(zhu)介紹，海馬體(ti)位于大(da)(da)腦皮層和胼胝體(ti)下面(mian)，在記憶(yi)鞏(gong)固、空(kong)間記憶(yi)和情(qing)緒(xu)編(bian)碼等方面(mian)起重要作用。但(dan)由于大(da)(da)腦組織特別是胼胝體(ti)對傳播(bo)光束具有(you)高散射特性，突破胼胝體(ti)實現大(da)(da)腦深層直接成(cheng)像成(cheng)為長期以來神經科(ke)學(xue)家面(mian)臨(lin)的極大(da)(da)挑(tiao)戰。此前，國(guo)際上已知的微型化多光子顯(xian)微鏡均(jun)無法實現穿透全皮層直接對海馬體(ti)進行(xing)無損成(cheng)像。
據悉，此(ci)次新研制的(de)(de)微型化三光子(zi)顯微鏡(jing)一(yi)舉突破了此(ci)前的(de)(de)成像(xiang)深度極限(xian)：顯微鏡(jing)激發光路可穿透(tou)小鼠大(da)腦(nao)皮層和胼胝體，實現對小鼠海馬CA1亞區的(de)(de)直接觀測記錄，神經元鈣信號最大(da)成像(xiang)深度可達(da)1.2毫米，血管成像(xiang)深度可達(da)1.4毫米。
這一成像(xiang)深度的突(tu)破得益(yi)于(yu)該(gai)顯微鏡全(quan)新的光(guang)學(xue)構(gou)型設(she)計，使散射熒光(guang)收集效率實現了成倍提升。此外(wai)，該(gai)顯微鏡還可長時間(jian)、不間(jian)斷地觀測神(shen)經元功(gong)能活動而不產生明顯的光(guang)漂(piao)白與光(guang)損傷。
圖為(wei)使(shi)用微(wei)型化三光子顯微(wei)鏡對小鼠大腦皮層和海馬CA1亞區結構成像（研究團隊提供）
北京(jing)大(da)(da)學(xue)(xue)國家生物醫學(xue)(xue)成像科學(xue)(xue)中心主任程和平院(yuan)士說(shuo)，利用該顯微(wei)鏡(jing)，團隊研(yan)究(jiu)了(le)小鼠大(da)(da)腦頂葉皮層(ceng)第六層(ceng)神經元(yuan)(yuan)在(zai)抓(zhua)取糖豆(dou)過程中的編碼(ma)機制，發現約37%的神經元(yuan)(yuan)在(zai)抓(zhua)取動(dong)作(zuo)之前就開(kai)始活(huo)躍(yue)且在(zai)抓(zhua)取時最活(huo)躍(yue)，約5.6%的神經元(yuan)(yuan)在(zai)抓(zhua)取動(dong)作(zuo)后開(kai)始活(huo)躍(yue)。
“這顯示(shi)出不(bu)同(tong)神經(jing)元參與了不(bu)同(tong)階段的(de)(de)編碼，也初(chu)步展示(shi)了微型(xing)化三光子(zi)顯微鏡在腦(nao)科學(xue)研(yan)究中的(de)(de)應用潛力。”程和平表示(shi)，這一成像(xiang)技術(shu)為人類更(geng)深入(ru)探尋大(da)腦(nao)的(de)(de)奧秘、揭(jie)秘腦(nao)功(gong)能連接圖譜提供了重要工具(ju)。
2017年，程和平團(tuan)隊成功研制第(di)(di)一代微型(xing)(xing)化雙光子顯(xian)微鏡，獲取(qu)了小鼠(shu)在自由(you)行為過程中大腦皮層神經元(yuan)和神經突(tu)觸活動(dong)的(de)動(dong)態(tai)圖像(xiang)。2021年，團(tuan)隊研制的(de)第(di)(di)二代微型(xing)(xing)化雙光子顯(xian)微鏡將成像(xiang)視野擴(kuo)大了7.8倍，具備(bei)獲取(qu)大腦皮層上(shang)千個神經元(yuan)功能信號的(de)三維成像(xiang)能力。
（本文原載于2023年2月25日(ri)新華(hua)網，題(ti)目有改動）
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