NB最新封面｜對話程和平團隊：大國重器，窺視大腦的奧秘

2020-10-12 brainnews

來源：神經科學通報

近日，程和平院士團隊在Neuroscience Bulletin 2020年第10期以封面文章形式發表了題為：Miniature Fluorescence Microscopy for Imaging Brain Activity in Freely-Behaving Animals的綜述。NB編輯部邀請了本文第一作者陳詩源博士分享研究團隊的科研思路，他們是如何一步步地在成像領域深耕、成長。


NB：能否分享一下程院士團隊的研究方向？

目前我們團隊主要關注腦科學領域，融合個體行為、微觀神經活動和大腦的信息處理方式是我們的目標之一。通過在分子、細胞、迴路和系統的不同層面研究動物行為和神經活動的聯繫，最終破譯大腦對信息進行處理的基本原理。在活體高分辨自由運動成像方面，我們聚焦於高時空分辨的微型化雙光子顯微鏡（fast high-resolution,miniaturized two-photon microscopy，FHIRM-TPM）的研發及其在神經生物學和醫學領域的應用。這種頭戴式的微型化顯微鏡可以由動物「戴著跑」，能夠長時程的記錄動物在進行各種生理活動或行為任務時的神經活動。同時，我們也在不斷進行技術革新，我們的第二代微型化雙光子顯微鏡(FHIRM-TPM 2.0)也即將發表，它具有更大的成像視場和三維成像能力。另一方面，藉助北京大學分子醫學南京轉化研究院的全景式、一站式的成像平臺，通過高通量、規模化的設備，成百倍的提高科研效率，以回答大型的腦科學問題，如睡眠、社交、學習、記憶等。


圖1 FHIRM-TPM實物圖


NB：在FHIRM-TPM的研製過程中是否遇到了挑戰，是如何解決的？

2014年，在國家重大科研儀器設備研製專項的支持下，程院士帶領我們這一支跨學科的團隊著手研發能夠真正被神經科學家們使用的微型化雙光子顯微鏡。我們遇到的挑戰主要有以下幾點：一是能夠對神經科學家們最常用的GFP/GCaMPs指示劑成像；二是如何實現高時空解析度；三是如何保證性能的同時，最小化FHIRM-TPM對小老鼠行為的影響。

要對GFP或者GCaMPs成像，就需要把920nm波段的飛秒脈衝雷射無畸變的傳輸到頭戴式探頭。為了減少非線性和色散，我們設計定製了中心波長為920nm的空芯光子晶體光纖。我們整體優化了微型光學系統，其中包括一個NA為0.8的微型物鏡，使FHIRM-TPM具有樹突棘級別的解析度；新型微機電掃描鏡也使其具有視頻級幀率。為了減小FHIRM-TPM對小鼠行為的影響，我們設計了一款柔軟光纖束，使動物運動引起的扭矩和拉拽力最小化，並且不降低螢光的收集效率。

圖2 寬場顯微鏡、臺式雙光子顯微鏡和FHIRM-TPM的對比



NB：能否介紹一下FHIRM-TPM有哪些可能的應用場景？

對於行為範式，我們可以研究社交、恐懼、睡眠、打鬥等。對於模式動物，FHIRM-TPM可以適用於小鼠、大鼠、鳥類、猴、狗等。在技術上，我們也可以實現多腦區成像、多平面成像、結合光遺傳學等。

圖3 同時對正在進行社交活動的兩隻小鼠的前額葉皮層的神經元成像


NB: 為什麼會選擇NB？您是從什麼渠道了解到NB的？在投稿的過程中，NB給您留下了怎樣的印象？

Neuroscience Bulletin是一個在神經科學領域具有高影響力的雜誌。我們很榮幸受到了魏彬編輯的邀請，讓我們有機會談一些對微型化螢光顯微鏡的理解。在整個投稿過程中，編輯和審稿人們給予了我們這篇綜述很多實質性的幫助。非常感謝！

內容亮點

微型化螢光顯微成像技術能夠可視化自由運動動物的大腦活動，這一技術也與其他自由運動成像技術一起被評為2018年Nature Methods的年度方法。在這篇綜述中，我們回顧了過去十幾年來這一領域的發展和現狀，總結了各種微型化單光子顯微鏡和微型化雙光子顯微鏡的優缺點，並展示了其應用範例，以及對未來發展趨勢的展望。


參考文章：
Chen S, Wang Z, Zhang D, Wang A, Chen L, Cheng H, et al. Miniature Fluorescence Microscopy for Imaging Brain Activity in Freely-Behaving Animals. Neurosci Bull 2020, 36: 1182-1190.

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