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美國(guó)激光雙光子顯微鏡掃描深度

來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2025-07-09

目前,腦科學(xué)的研究在全球范圍內(nèi)如火如荼,中國(guó)的腦計(jì)劃也即將啟動(dòng)。其中,全景式分析腦連接圖和功能動(dòng)態(tài)圖的研究成為重點(diǎn)研究方向,如何打破尺度壁壘,將微觀神經(jīng)元和突觸的信息處理和個(gè)體行為信息與全腦融合,是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。2021年1月6日,由北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所牽頭,北京大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子系、工程學(xué)院和中國(guó)人民醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)在NatureMethods上在線發(fā)表了一篇題為《大視場(chǎng)、多平面、長(zhǎng)程腦成像的微型雙光子拷貝》的文章。本文報(bào)道了第二代小型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0。其成像視場(chǎng)是團(tuán)隊(duì)2017年發(fā)布的第1代小型化顯微鏡的7.8倍。同時(shí)具有三維成像能力,獲得了小鼠自由運(yùn)動(dòng)行為時(shí)大腦三維區(qū)域數(shù)千個(gè)神經(jīng)元清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)功能圖像,實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一批次神經(jīng)元一個(gè)月的跟蹤記錄。成像平臺(tái)倒置雙光子顯微鏡啟用顯微鏡自帶調(diào)焦設(shè)備。美國(guó)激光雙光子顯微鏡掃描深度

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和很多偉大的科學(xué)發(fā)明一樣,雙光子顯微鏡的出現(xiàn)也有一點(diǎn)偶然,但正是那瞬間的靈感為生物科學(xué)尤其是神經(jīng)科學(xué)帶來(lái)了一種**性的成像技術(shù):雙光子激發(fā)熒光顯微鏡。1990年初,當(dāng)WinfriedDenk剛從康奈爾大學(xué)博士畢業(yè)準(zhǔn)備前往瑞士讀博后時(shí),他看了一本關(guān)于激光掃描顯微鏡的書(shū),從中了解到非線性光學(xué)效應(yīng)——強(qiáng)光和物質(zhì)的相互作用。當(dāng)時(shí),Denk有同事研究生物樣品中的鈣離子但苦于沒(méi)有強(qiáng)大的紫外激光器和光學(xué)元件,于是他就想到如果使用雙光子吸收就能夠繞開(kāi)紫外,換言之,與其通過(guò)一個(gè)紫外光子激發(fā)標(biāo)記的鈣離子,通過(guò)兩個(gè)雙倍波長(zhǎng)的可見(jiàn)光光子也能激發(fā)相同的熒光。有了想法后馬上實(shí)驗(yàn)。借了一套染料飛秒激光器,Denk聯(lián)合他的導(dǎo)師WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六個(gè)小時(shí)就完成了實(shí)驗(yàn)搭建,采集數(shù)據(jù)則用了兩到三天,于是一篇里程碑式的文章就此誕生了。國(guó)內(nèi)雙光子顯微鏡代理商用雙光子顯微鏡看看你的皮膚有沒(méi)有重?zé)ㄐ律?/p>

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第二代微型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0,其成像視野是該團(tuán)隊(duì)于2017年發(fā)布的代微型化顯微鏡的7.8倍,同時(shí)具備三維成像能力,獲取了小鼠在自由運(yùn)動(dòng)行為中大腦三維區(qū)域內(nèi)上千個(gè)神經(jīng)元清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)功能圖像,并且實(shí)現(xiàn)了針對(duì)同一批神經(jīng)元長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的追蹤記錄。在一批“早鳥(niǎo)項(xiàng)目”中,該系統(tǒng)已被多個(gè)研究組應(yīng)用于不同的模式動(dòng)物和行為范式,如小鼠的社交新穎性識(shí)別、斑胸草雀受調(diào)控后大腦特定神經(jīng)元變化、新型神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿探針的傳導(dǎo)適應(yīng)性分析以及獼猴三腦區(qū)成像等多項(xiàng)研究。

隨著技術(shù)的發(fā)展,雙光子顯微鏡的性能得到不斷地優(yōu)化,結(jié)合它的特點(diǎn),大致可以分成深和活兩個(gè)方面的提升。深要想讓激發(fā)激光進(jìn)入更深的層面,大致可從兩個(gè)方面入手,裝置優(yōu)化與標(biāo)本改造。關(guān)于裝置優(yōu)化,我們可以把激光束變得更細(xì),使能量更加集中,就能讓激光穿透更深。關(guān)于標(biāo)本,其中影響光傳播的主要是物質(zhì)吸收和散射,解決這個(gè)問(wèn)題,我們需要對(duì)樣本進(jìn)行透明化處理。一種方法是運(yùn)用某種物質(zhì)將標(biāo)本浸泡,使其中的物質(zhì)(主要是脂質(zhì))被破壞或溶解。另一種方法是運(yùn)用電泳將脂質(zhì)電解,讓標(biāo)本“透明度”提高。高光子密度帶來(lái)的高能量容易損傷細(xì)胞,所以雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,其脈沖達(dá)到最大值所持續(xù)的周期只有十萬(wàn)億分之一秒,而其頻率可以達(dá)到80至100兆赫,這樣即能達(dá)到雙光子激發(fā)的高光子密度要求,又能不損傷細(xì)胞,使掃描能更好地進(jìn)行。雙光子顯微鏡已延伸到各個(gè)領(lǐng)域研究中,它能對(duì)樣品進(jìn)行三維觀察。

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雙光子的來(lái)源:飛秒激光的雙光子吸收理論早在1931年就由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者M(jìn)ariaGoeppertMayer提出,并在30年后因?yàn)榧す舛玫綄?shí)驗(yàn)驗(yàn)證,但WinfriedDenk用了近30年才發(fā)明了雙光子顯微鏡。要理解雙光子的技術(shù)挑戰(zhàn)和飛秒激光發(fā)揮的重要作用,首先要理解非線性過(guò)程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生的非線性過(guò)程,需要極高的電場(chǎng)強(qiáng)度,電場(chǎng)取決于聚焦光斑的大小和激光脈沖寬度。聚焦光斑越小,脈沖寬度越窄,雙光子吸收效率越高。對(duì)于衍射極限顯微鏡,聚焦在樣品上的光斑大小只與物鏡NA和激光波長(zhǎng)有關(guān),所以關(guān)鍵變量只有激光脈沖寬度?;谝陨戏治觯軌蜉敵龈咧貜?fù)率(100MHz)的超短脈沖(100fs量級(jí))的飛秒激光已經(jīng)成為雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這再次顯示了雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì):雙光子吸收只能在焦平面形成,而在焦平面之外,由于光強(qiáng)較低,無(wú)法激發(fā),所以雙光子成像更清晰。雙光子顯微鏡在各領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例。國(guó)外2PPLUS雙光子顯微鏡應(yīng)用

雙光子顯微鏡明日之星--FemtoFiber ultra 920 。美國(guó)激光雙光子顯微鏡掃描深度

隨著技術(shù)的發(fā)展,雙光子顯微鏡的性能不斷優(yōu)化。結(jié)合其特點(diǎn),大致可以分為兩個(gè)方面:深入和主動(dòng)改進(jìn)。為了使激發(fā)激光進(jìn)入更深的層次,可以從器件優(yōu)化和標(biāo)本改造兩個(gè)方面入手。關(guān)于器件的優(yōu)化,我們可以把激光束做得更細(xì),集中能量,讓激光穿透得更深。對(duì)于樣品,物質(zhì)的吸收和散射是影響光傳播的主要因素。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們需要將樣本透明化。一種方法是用某種物質(zhì)浸泡標(biāo)本,使其中的物質(zhì)(主要是脂質(zhì))被破壞或溶解。另一種方法是通過(guò)電泳電解脂類,從而提高標(biāo)本的“透明度”。美國(guó)激光雙光子顯微鏡掃描深度

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