國外熒光激光雙光子顯微鏡成像視野

2020年12月22日，臨研所、病理科和科研處邀請北京大學王愛民副教授做了題目為“新一代微型雙光子顯微成像系統(tǒng)介紹及其在臨床醫(yī)療診斷”的學術報告。學術報告由臨研所醫(yī)學實驗研究平臺潘琳老師主持。王愛民，北京大學信息科學技術學院副教授，畢業(yè)于北京大學物理系，獲學士、碩士學位，后于英國巴斯大學物理系獲博士學位。該研究組研發(fā)的微型雙光子顯微鏡，第1次在國際上獲得了小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的動態(tài)信號，該成果獲得了2017年度“中國光學進展”和“中國科學進展”，并被NatureMethods評為2018年度“年度方法--無限制行為動物成像”。目前，該研究組正在研究新一代雙光子顯微成像技術在臨床診斷中的應用，為未來即時病理、離體組織檢測、術中診斷等提供新的影像手段和分析方法。在深度組織中以較長時間對細胞成像，雙光子顯微鏡是當前之選。國外熒光激光雙光子顯微鏡成像視野

WinfriedDenk較初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見光波長)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可，但是使用很不方便所以遠未實現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態(tài)光源優(yōu)勢，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調諧激光器位于平臺較左邊。從雙光子到三光子科學家正在從雙光子轉向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(Denk同導師實驗室)讀博期間發(fā)明了三光子顯微鏡，如果雙光子吸收可行，那么三光子看起來也是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長的波長，大約在1.3和1.7微米，其成像深度也比雙光子更深，目前記錄約為2.2毫米，人類大腦皮層厚約4毫米。相比雙光子顯微鏡，三光子還要求以較低重頻使用更強和更短的激光脈沖，而傳統(tǒng)的鈦寶石激光器難以達到這些要求，但是對于摻鐿光纖飛秒光參量放大器則非常容易，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)。國外investigator雙光子顯微鏡光毒性雙光子顯微鏡明日之星--FemtoFiber ultra 920 。

目前，世界各國的腦科學研究如火如荼，中國的腦計劃也即將啟動。其中，關于全景式解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究成為重點研究方向，而如何打破尺度壁壘，融合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動與大腦整體的信息處理和個體行為信息，是領域內亟待解決的一個關鍵挑戰(zhàn)。2021年1月6日，由北京大學分子醫(yī)學研究所牽頭，聯(lián)合北大信息科學技術學院電子學系、工學院以及中國人民******醫(yī)學科學院等組成的跨學科團隊，在NatureMethods在線發(fā)表題為“Miniaturetwo-photonmicroscopyforenlargedfield-of-view,multi-plane,andlong-termbrainimaging”的文章。文中報道了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)布的低1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(jīng)元清晰穩(wěn)定的動態(tài)功能圖像，并且實現(xiàn)了針對同一批神經(jīng)元長達一個月的追蹤記錄。

雙光子顯微鏡在各領域研究中已有許多成功實例；生物領域：貝爾實驗室的Svoboda等人研究了大腦皮層神經(jīng)元細胞內鈣離子動力學情形。利用雙光子顯微鏡觀察到的現(xiàn)象證明了鈣離子的增加依賴于肌體觸發(fā)的鈉離子作用電勢。信息領域：美國科學家Rentzepis提出了一種在現(xiàn)有二維光盤的基礎上將數(shù)據(jù)儲存擴展到三維空間。由于雙光子激發(fā)具有作用精細體積小的特點，避免了層與層之間的互相干擾，較大地提高了數(shù)據(jù)儲存密度。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，其基礎雙光子激發(fā)效應也具有極高的應用價值。我們可以相信，隨著科技不斷發(fā)展，其他技術的不斷結合，雙光子顯微鏡將得到更大的發(fā)展與更廣的應用。雙光子顯微鏡結合了雙光子激發(fā)技術和激光掃描共聚顯微鏡。

通過對顯微光學系統(tǒng)的重新設計，將FHIRM-TPM2.0的成像視場擴展至420×420平方微米，顯微物鏡的工作距離擴展至1mm，實現(xiàn)無創(chuàng)成像。嵌入可拆卸的快速軸向掃描模塊，實現(xiàn)深度180微米的三維體成像和多平面快速切換的實時成像。該模塊由一個快速電動變焦鏡頭和一對中繼鏡頭組成，在不同深度成像時保持放大率恒定。其中，變焦模塊重1.8克，科研人員可以根據(jù)實驗要求自由拆卸。此外，新型微型成像探頭可以瞬間插拔，極大簡化了實驗操作，避免了長時間實驗對動物的干擾。反復裝卸探針追蹤同批神經(jīng)元時，視場旋轉角度小于0.07弧度，邊界偏差小于35微米。優(yōu)勢來源于其雙光子光源的非線性光學效應。國外熒光激光雙光子顯微鏡成像視野

雙光子顯微鏡在多個領域研究中已有許多成功實例。國外熒光激光雙光子顯微鏡成像視野

基因編碼的熒光探針可用于在突觸和細胞分辨率下監(jiān)測體內神經(jīng)元信號，這是揭示動物神經(jīng)活動復雜機制的關鍵。雙光子顯微鏡(2PM)可以對鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器進行亞細胞分辨率的成像，從而測量不透明腦深部的活動。成像膜的電壓變化可以直接反映神經(jīng)元的活動，但神經(jīng)元活動的速度對于常規(guī)的2PM來說太快了。目前，電壓成像主要由寬視場顯微鏡實現(xiàn)，但其空間分辨率較差，且只能在淺深度成像。因此，為了以高空間分辨率成像不透明腦中膜電壓的變化，需要將成像速率提高2PM。面向模塊輸出端的子脈沖序列可視為從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成空間分離和時間延遲的聚焦陣列。然后，該模塊被集成到一個帶有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標準雙光子熒光顯微鏡中，如圖2所示。光源是重復頻率為1MHz的920nm激光器。FACED模塊可以產(chǎn)生80個脈沖焦點，脈沖時間間隔為2ns。這些焦點是虛擬源的圖像。虛光源越遠，物鏡處的光束尺寸越大，焦點越小。光束可以沿Y軸比沿X軸更好地填充物鏡，從而在X軸上產(chǎn)生0.82m和0.35m的橫向分辨率。國外熒光激光雙光子顯微鏡成像視野