美國激光雙光子顯微鏡掃描深度

目前，腦科學的研究在全球范圍內如火如荼，中國的腦計劃也即將啟動。其中，全景式分析腦連接圖和功能動態(tài)圖的研究成為重點研究方向，如何打破尺度壁壘，將微觀神經元和突觸的信息處理和個體行為信息與全腦融合，是該領域亟待解決的關鍵挑戰(zhàn)。2021年1月6日，由北京大學分子醫(yī)學研究所牽頭，北京大學信息科學與技術學院電子系、工程學院和中國人民醫(yī)學科學院組成的跨學科團隊在NatureMethods上在線發(fā)表了一篇題為《大視場、多平面、長程腦成像的微型雙光子拷貝》的文章。本文報道了第二代小型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0。其成像視場是團隊2017年發(fā)布的第1代小型化顯微鏡的7.8倍。同時具有三維成像能力，獲得了小鼠自由運動行為時大腦三維區(qū)域數千個神經元清晰穩(wěn)定的動態(tài)功能圖像，實現了對同一批次神經元一個月的跟蹤記錄。成像平臺倒置雙光子顯微鏡啟用顯微鏡自帶調焦設備。美國激光雙光子顯微鏡掃描深度

和很多偉大的科學發(fā)明一樣，雙光子顯微鏡的出現也有一點偶然，但正是那瞬間的靈感為生物科學尤其是神經科學帶來了一種**性的成像技術：雙光子激發(fā)熒光顯微鏡。1990年初，當WinfriedDenk剛從康奈爾大學博士畢業(yè)準備前往瑞士讀博后時，他看了一本關于激光掃描顯微鏡的書，從中了解到非線性光學效應——強光和物質的相互作用。當時，Denk有同事研究生物樣品中的鈣離子但苦于沒有強大的紫外激光器和光學元件，于是他就想到如果使用雙光子吸收就能夠繞開紫外，換言之，與其通過一個紫外光子激發(fā)標記的鈣離子，通過兩個雙倍波長的可見光光子也能激發(fā)相同的熒光。有了想法后馬上實驗。借了一套染料飛秒激光器，Denk聯合他的導師WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六個小時就完成了實驗搭建，采集數據則用了兩到三天，于是一篇里程碑式的文章就此誕生了。國內雙光子顯微鏡代理商用雙光子顯微鏡看看你的皮膚有沒有重煥新生。

第二代微型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0，其成像視野是該團隊于2017年發(fā)布的代微型化顯微鏡的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(qū)域內上千個神經元清晰穩(wěn)定的動態(tài)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。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(qū)成像等多項研究。

隨著技術的發(fā)展，雙光子顯微鏡的性能得到不斷地優(yōu)化，結合它的特點，大致可以分成深和活兩個方面的提升。深要想讓激發(fā)激光進入更深的層面，大致可從兩個方面入手，裝置優(yōu)化與標本改造。關于裝置優(yōu)化，我們可以把激光束變得更細，使能量更加集中，就能讓激光穿透更深。關于標本，其中影響光傳播的主要是物質吸收和散射，解決這個問題，我們需要對樣本進行透明化處理。一種方法是運用某種物質將標本浸泡，使其中的物質（主要是脂質）被破壞或溶解。另一種方法是運用電泳將脂質電解，讓標本“透明度”提高。高光子密度帶來的高能量容易損傷細胞，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，其脈沖達到最大值所持續(xù)的周期只有十萬億分之一秒，而其頻率可以達到80至100兆赫，這樣即能達到雙光子激發(fā)的高光子密度要求，又能不損傷細胞，使掃描能更好地進行。雙光子顯微鏡已延伸到各個領域研究中，它能對樣品進行三維觀察。

雙光子的來源:飛秒激光的雙光子吸收理論早在1931年就由諾貝爾獎獲得者MariaGoeppertMayer提出，并在30年后因為激光而得到實驗驗證，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程。雙光子吸收相當于和頻產生的非線性過程，需要極高的電場強度，電場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和激光波長有關，所以關鍵變量只有激光脈沖寬度?；谝陨戏治?，能夠輸出高重復率(100MHz)的超短脈沖(100fs量級)的飛秒激光已經成為雙光子顯微鏡的標準激發(fā)光源。這再次顯示了雙光子顯微鏡的優(yōu)勢:雙光子吸收只能在焦平面形成，而在焦平面之外，由于光強較低，無法激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。雙光子顯微鏡在各領域研究中已有許多成功實例。國外2PPLUS雙光子顯微鏡應用

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