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)熒光雙光子顯微鏡授權(quán)公司

雙光子顯微鏡(2PM)可以對(duì)鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器進(jìn)行亞細(xì)胞分辨率的成像，從而測(cè)量不透明腦深部的活動(dòng)。成像膜的電壓變化可以直接反映神經(jīng)元的活動(dòng)，但神經(jīng)元活動(dòng)的速度對(duì)于常規(guī)的2PM來(lái)說(shuō)太快了。目前，電壓成像主要由寬視場(chǎng)顯微鏡實(shí)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(shí)間延遲的聚焦陣列。然后，該模塊被集成到一個(gè)帶有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雙光子熒光顯微鏡中，如圖2所示。光源是重復(fù)頻率為1MHz的920nm激光器。FACED模塊可以產(chǎn)生80個(gè)脈沖焦點(diǎn)，脈沖時(shí)間間隔為2ns。這些焦點(diǎn)是虛擬源的圖像。虛光源越遠(yuǎn)，物鏡處的光束尺寸越大，焦點(diǎn)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(guó)外激光雙光子顯微鏡用途雙光子顯微鏡明日之星--FemtoFiber ultra 920 。

配合了雙光子激發(fā)技術(shù)，激光共聚掃描顯微鏡則能更好得發(fā)揮功效。那么什么是雙光子激發(fā)技術(shù)呢？在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時(shí)吸收2個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子使電子躍遷到較高能級(jí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間后，電子再躍遷回低能級(jí)同時(shí)放出一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子（P=h/λ）。利用這個(gè)原理，便誕生了雙光子激發(fā)技術(shù)。雙光子顯微鏡使用長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖激光，通過(guò)物鏡匯聚，由于雙光子激發(fā)需要很高的光子密度，而物鏡焦點(diǎn)處的光子密度是比較高的，所以只有在焦點(diǎn)處才能發(fā)生雙光子激發(fā)，產(chǎn)生熒光，該點(diǎn)產(chǎn)生的熒光再穿過(guò)物鏡，被光探頭接收，從而達(dá)到逐點(diǎn)掃描的效果。

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(zhǎng))。雖然染料激光器對(duì)于實(shí)驗(yàn)室演示尚可，但是使用很不方便所以遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)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(shì)，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對(duì)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(diào)諧激光器位于平臺(tái)較左邊?？茖W(xué)家正在從雙光子轉(zhuǎn)向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(xué)(Denk同導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)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(lái)也是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，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(qiáng)和更短的激光脈沖，而傳統(tǒng)的鈦寶石激光器難以達(dá)到這些要求，但是對(duì)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)。雙光子顯微鏡在多個(gè)領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例。

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，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。雙光子顯微鏡成像技術(shù)及不同轉(zhuǎn)基因小鼠開展對(duì)多種臟器的成像研究。雙光子顯微鏡掃描深度

雙光子顯微鏡只有焦平面處才能形成雙光子吸收，而焦平面之外由于光強(qiáng)低無(wú)法被發(fā)動(dòng)，所以雙光子成像更清晰。美國(guó)熒光雙光子顯微鏡授權(quán)公司

WinfriedDenk使用的第1個(gè)光源是染料飛秒激光(脈沖寬度100fs，可見光波長(zhǎng)630nm)。染料激光雖然實(shí)驗(yàn)室演示可以接受，但是使用起來(lái)不方便，所以離商業(yè)化還很遠(yuǎn)。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)光源變成了飛秒鈦寶石激光器。鈦寶石激光器除了具有固態(tài)光源的優(yōu)點(diǎn)外，還具有近紅外波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬，而近紅外比可見光穿透更深，對(duì)生物樣品的損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調(diào)諧激光器位于平臺(tái)左側(cè)。從雙光子到三光子科學(xué)家們正在從雙光子顯微鏡轉(zhuǎn)向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(xué)(Denk的導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室)讀博時(shí)發(fā)明了三光子顯微鏡。如果雙光子吸收是可行的，那么三光子似乎是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，大約1.3和1.7微米，成像深度比雙光子更深。目前錄音大約2.2毫米，人的大腦皮層厚度大約4毫米。與雙光子顯微鏡相比，三光子需要使用更強(qiáng)、更短、重復(fù)率更低的激光脈沖，這是傳統(tǒng)的鈦寶石激光器很難滿足的，但對(duì)于摻鐿光纖飛秒光參量放大器，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)就非常容易。美國(guó)熒光雙光子顯微鏡授權(quán)公司