Недавно команда Чэн Хэпина и Ван Айминь из Пекинского университета совместно с командой У Рунлун из Пекинского университета информационных технологий успешно разработала многоцветный миниатюрный двухфотонный микроскоп (FHIRM - TPM 3.0) для реализации многоцветной, глубокой и межмасштабной нейровизуализации у мышей со свободной активностью, предоставив новые инструменты для декодирования сложных механизмов функции мозга. Исследование « A versatile miniature two - photon microscope enabling multicolor deep - brain imaging» было опубликовано в Nature Methods Online и представлено в исследовательском Briefing.

Снимок статьи

Десять лет точить меч, чтобы создать четыре поколения « мозгового инструмента»

Мозг - это самая сложная и тонкая « маленькая вселенна» в природе, состоящая из десятков миллиардов нейронов, работающих вместе с сотнями триллионов нейронных синапсов. Как точно улавливать динамические изменения активности нейронов и синапсов в свободном живом теле является основной проблемой в исследованиях мозга.

В 2014 году академик Чэн Хэпин возглавил крупный национальный проект оборудования и оборудования « Миниатюрная двухфотонная микроскопическая система визуализации тела с сверхвысоким пространственно - временным разрешением», которая длилась более десяти лет, чтобы завершить четыре технологические итерации:

01 Природные методы, 2017 год

В 2017 году было разработано первое поколение миниатюрного двухфотонного микроскопа весом 2,2 г, который впервые обеспечил четкую и стабильную функциональную визуализацию нейронных синапсов у мышей со свободной активностью.

02 Природные методы, 2021 год

В 2021 году система второго поколения расширит горизонт в 7,8 раза и будет иметь возможность создавать трехмерные изображения.

03 Природные методы, 2023 год

Система третьего поколения 2023 года использует принцип трехфотонной флуоресцентной визуализации для достижения неинвазивного наблюдения глубокого гиппокампа.

04 Природные методы, 2025 год

Новое поколение миниатюрных двухфотонных микроскопов достигло значительного прогресса в трех направлениях: многоцветное возбуждение, глубокое наблюдение мозга и кросс - масштабная визуализация.

Трехцветная прямая трансляция мозговой активности.

Ранее полые фотонные кристаллические оптические волокна поддерживали только лазерную передачу на одной длине волны, ограничивая возможности многоцветной визуализации. Команда разработала ультраширокополосное антирезонансное полый оптическое волокно 700 - 1060 нм для достижения многоволновой длинносекундной импульсной лазерной передачи с низкими потерями, низкой дисперсией и низкой потерей изгиба. В ходе исследования на мышах с моделью болезни Альцгеймера были получены трехцветные синхронные изображения нейронных кальциевых сигналов, митохондриальных (клеточных) кальциевых сигналов и отложений амилоидных бляшек головного мозга, а также обнаружены аномалии в динамике митохондрий кальция на ранних стадиях заболевания.

Видео 1. Трехмерное реконструированное изображение нейронных сигналов кальция у мышей модели болезни Альцгеймера (красный), митохондриальных сигналов кальция (зеленый) и амилоидных бляшек (синий)

Глубокое изображение мозга: перспектива 850 микрон коры

Благодаря прецизионному оптическому дизайну для всей системы хроматизации, коррекции сферической аберрации и оптимизации дизайна оптической системы, система нового поколения получила нейронный кальциевый сигнал и структурную визуализацию в коре головного мозга мышей на глубине более 850 микрон, что более чем в три раза превышает глубину визуализации с помощью миниатюрного двухфотонного микроскопа.

Видео 2.Thy1 - YFPH Реконструкция 3D - изображений коры головного мозга с глубиной 854 микрон

Переключение поля зрения: реализация кросс - масштабных изображений

Команда разработала три быстропереключаемых объектива с высоким разрешением, высокой производительностью и большим полем зрения, чтобы обеспечить плавное преобразование наблюдений с большим полем зрения и точной визуализации с высоким разрешением, а также визуализацию от 100 микрон до миллиметра в 10 раз больше.

Видео 3. (слева) зонд с высоким разрешением FHIRM - TPM 3.0 для восстановления двухцветных изображений нейронов (красного) движущейся коры и пространственного распределения митохондрий (зеленого) внутри нейронов; (справа) FHIRM - TPM 3.0 зонд с большим полем зрения для получения изображений 450 нейронов префронтальной коры у свободно активных мышей

Исследовательская группа

Соавторами этого документа являются У Рунлун, профессор Пекинского университета информационных технологий (в то время внештатный научный сотрудник Института перспективных технологий Пекинского университета), Чжао Чунчжу, младший научный сотрудник Института перспективных технологий Пекинского университета, и Цю Шань, аспирант. Авторы - Чэн Хэпин, Ван Аймин и У Рунлун из Пекинского университета информационных технологий. Проект поддерживается научно - техническими инновациями 2030 - « Наука о мозге и исследования мозгоподобных детей», Государственным комитетом по естественным наукам, специальными проектами по разработке крупных научных приборов и ключевыми программами исследований и разработок Министерства науки и техники.

[Ссылки]

Ву, Р., Чжао, С., Цю, С.и др.. Универсальный миниатюрный двухфотонный микроскоп, позволяющий многоцветное глубокое изображение мозга.Nat Methods (2025).https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6