國(guó)外熒光雙光子顯微鏡掃描深度

2008年錢永健等人由于熒光蛋白（GFP，綠色熒光蛋白）的發(fā)現(xiàn)和使用，獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，是對(duì)熒光成像技術(shù)的一次巨大肯定和推動(dòng)。光學(xué)成像本身具有高分辨率、高通量、非侵入和非毒性等特點(diǎn)，再與熒光蛋白以及熒光染料等標(biāo)記物在細(xì)胞中的定位與表達(dá)技術(shù)相結(jié)合，使得科學(xué)家可以特異性的分辨生物體乃至細(xì)胞內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)與成分，并且能夠在生命體和細(xì)胞仍具有活性的狀態(tài)下（狀態(tài)）對(duì)其功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。這就使得熒光成像技術(shù)成為了無(wú)可替代的，生物學(xué)家現(xiàn)今較為重要的技術(shù)手段之一。目前，大多數(shù)細(xì)胞生物學(xué)和生理學(xué)研究主要還是在離體培養(yǎng)的細(xì)胞體系中研究。然而與細(xì)胞生物學(xué)研究有所不同的是，大腦的功能研究的整體性和原位性顯得更加關(guān)鍵：只研究分離的神經(jīng)元無(wú)法解釋神經(jīng)系統(tǒng)的功能和規(guī)律。由于被觀測(cè)的信號(hào)會(huì)受到樣本組織的散射和吸收，根本無(wú)法穿透如此深的組織進(jìn)行成像。而雙光子顯微鏡（Two-photonMicroscopy，簡(jiǎn)稱TPM）的發(fā)明，則為此類研究帶來了希望。雙光子顯微鏡特有的非線性光學(xué)特性，再加上其工作波長(zhǎng)處在紅外區(qū)域等特點(diǎn)，令其在生物體組織內(nèi)的穿透深度較大提高，使得雙光子顯微鏡成為神經(jīng)科學(xué)家進(jìn)行神經(jīng)成像較理想的工具。雙光子顯微鏡還可以對(duì)一些具有特性的染料細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還有一些短波長(zhǎng)可以利用雙光子特性進(jìn)行特定實(shí)驗(yàn)。國(guó)外熒光雙光子顯微鏡掃描深度

新一代微型化雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)的成功研制是國(guó)家重大科研儀器研制專項(xiàng)的一個(gè)碩果。它彰顯了北京大學(xué)在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域先期布局的前瞻性，鍛煉了一支以年輕PI和碩博研究生為主體、具有學(xué)科交叉背景和重要技術(shù)創(chuàng)新能力的“中國(guó)智造”隊(duì)伍。目前，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在領(lǐng)銜建設(shè)“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像”十三五國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，積極參與即將啟動(dòng)的中國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃?？梢云诖⑿突p光子熒光顯微成像系統(tǒng)將為實(shí)現(xiàn)“分析腦、理解腦、模仿腦”的戰(zhàn)略目標(biāo)發(fā)揮不可或缺的重要作用國(guó)內(nèi)investigator雙光子顯微鏡作用雙光子顯微鏡非常適合對(duì)細(xì)胞組織進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間在體成像。

像差問題一直困擾著光學(xué)領(lǐng)域的工作者。像差會(huì)使光波前發(fā)生形變，不僅降低成像的信噪比和分辨率，使得很多時(shí)候我們只能“霧里看花”，更甚者，產(chǎn)生贗像，或無(wú)法獲得有意義的圖像。像差問題對(duì)雙光子成像的影響尤為嚴(yán)重，因?yàn)樵谀抢?，熒光信?hào)對(duì)入射光強(qiáng)度的依賴是平方關(guān)系，一旦入射光波前形變，不僅聚焦強(qiáng)度大幅下降，成像分辨率也急劇惡化。因此，如何解決像差問題，實(shí)現(xiàn)，例如小鼠大腦皮層，深層區(qū)域的高質(zhì)量成像成為光學(xué)成像發(fā)展中相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的問題之一。

在該自適應(yīng)光學(xué)雙光子熒光顯微鏡中，她們將空間光位相調(diào)制器光學(xué)共軛到顯微物鏡的后焦平面，通過位相調(diào)制器將入射光分成若干子區(qū)域，每一塊子區(qū)域的波前都可以被控制。同時(shí)，她們用數(shù)字微陣列光處理器，以不同的頻率同時(shí)調(diào)制其中一半子區(qū)域的入射光強(qiáng)度，以另一半子區(qū)域作為“參考波前”。來自所有子區(qū)域光束會(huì)在焦點(diǎn)處會(huì)聚干涉，通過監(jiān)測(cè)焦點(diǎn)激發(fā)的雙光子信號(hào)隨時(shí)間的變化情況，并進(jìn)行傅里葉變換分析，可以“分解”得到被調(diào)制的每一塊子區(qū)域的“光線”的貢獻(xiàn)信息，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一半子區(qū)域波前的并行測(cè)量。對(duì)另一半子區(qū)域重復(fù)這一測(cè)量過程，從而獲得整個(gè)入射波前的信息并進(jìn)行校正。該方法耗時(shí)很短，通常約1~3分鐘左右即可完成像差的測(cè)量和校正，無(wú)需復(fù)雜的計(jì)算，適用于任何標(biāo)記密度和標(biāo)記類型的樣品。更重要的是，得到的像差校正圖案可以用于提高較大視場(chǎng)范圍內(nèi)的成像質(zhì)量。該方法無(wú)疑為在體研究小鼠大腦皮層深層區(qū)域的生物、醫(yī)學(xué)問題提供了可行性方案。雙光子顯微鏡可以用于局部微蝕鐳射磨皮后的膠原重塑的檢測(cè)。

微型化雙光子熒光顯微成像改變了在自由活動(dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式，可用于在動(dòng)物覓食、哺乳、跳臺(tái)、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，或者在學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)中和學(xué)習(xí)后，長(zhǎng)時(shí)程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)變化。該成果在2016年底美國(guó)神經(jīng)科學(xué)年會(huì)、2017年5月冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議上報(bào)告后，得到包括多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的高度贊譽(yù)。冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議、美國(guó)明顯神經(jīng)科學(xué)家加州大學(xué)洛杉磯分校的Alcino J Silva教授在評(píng)述中寫道，“從任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來看，這款顯微鏡都了一項(xiàng)重大技術(shù)發(fā)明，必將改變我們?cè)谧杂苫顒?dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經(jīng)元和樹突成像。系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，即通過對(duì)細(xì)胞群體中可辨識(shí)的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜生物學(xué)事件進(jìn)行成像觀測(cè)，從而更加深刻地理解進(jìn)化所造就的大腦環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為的重要工程學(xué)原理。毫無(wú)疑問，這項(xiàng)非凡的發(fā)明讓我們向著這一目標(biāo)邁進(jìn)了一步?！彪p光子顯微鏡能夠在細(xì)胞甚至是亞細(xì)胞水平上對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、離子濃度、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、進(jìn)行直接成像監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)2PPLUS雙光子顯微鏡作用

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)外熒光雙光子顯微鏡掃描深度

隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表行業(yè)發(fā)生了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，再加上當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，組建網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成實(shí)用的監(jiān)控系統(tǒng)，可以提高生產(chǎn)效率和共享信息資源方向發(fā)展。當(dāng)前儀器儀表行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展呈現(xiàn)微型化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化四大發(fā)展趨勢(shì)。工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升發(fā)展質(zhì)量等有利于儀器儀表行業(yè)的發(fā)展；**安全、社會(huì)安全、產(chǎn)業(yè)和信息安全等需要自主、nVista，nVoke，3D bioplotte，invivo裝備，成為全社會(huì)共識(shí)；隨著中國(guó)的不斷進(jìn)步，世界上只有一個(gè)救世主——市場(chǎng)，能救企業(yè)的只有你自己——自強(qiáng)，提高服務(wù)型重點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)力才是中國(guó)制造業(yè)的獨(dú)一出路。以顯微科學(xué)儀器行業(yè)的發(fā)展與變化為例，以親身的實(shí)踐為例，毛磊認(rèn)為，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的環(huán)境和實(shí)力都發(fā)生了巨大變化，有了完全不同的基礎(chǔ)，這為國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器走向高階水平增強(qiáng)了信心。伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，如今，它已經(jīng)漸漸取代電子商務(wù)成為了整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)增速極快的領(lǐng)域，而移動(dòng)終端的入口也隨即成為了傳統(tǒng)行業(yè)的必爭(zhēng)之地。nVista，nVoke，3D bioplotte，invivo行業(yè)進(jìn)軍移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)線上發(fā)展勢(shì)在必行。國(guó)外熒光雙光子顯微鏡掃描深度

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