雙光子顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了更高的分辨率和功能成像，從而幫助研究人員展開大腦功能和神經(jīng)活動(dòng)的研究。

然而，雙光子方法受到激發(fā)光子和發(fā)射光子極度衰減的影響，限制了可以分析的組織深度和對(duì)大腦皮層的成像。內(nèi)窺鏡檢查可能是探測(cè)器官深層區(qū)域的更好解決方法。

香港科技大學(xué)（Hong Kong University of Science and Technology, HKUST）的一個(gè)科研項(xiàng)目開發(fā)出一種基于直接波前傳感的雙光子顯微內(nèi)鏡平臺(tái)，結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衍射極限分辨率的深腦成像。研究成果被發(fā)表在Science Advances期刊上。

香港科技大學(xué)的Jianan Qu表示，“該技術(shù)可以對(duì)其他深層大腦結(jié)構(gòu)如紋狀體、黑質(zhì)和下丘腦進(jìn)行成像。這是一項(xiàng)令人興奮的進(jìn)展，對(duì)理解大腦功能和促進(jìn)深層大腦神經(jīng)科學(xué)研究具有巨大的潛力。”

新的方法建立在落射熒光顯微鏡現(xiàn)有的微型梯度折射率（GRIN）透鏡的基礎(chǔ)上，該透鏡被分別植入大腦，作為顯微鏡物鏡和下面的樣品之間的中繼。

根據(jù)該項(xiàng)目發(fā)表的論文，研究人員之前已經(jīng)嘗試過(guò)結(jié)合棒狀GRIN透鏡的雙光子技術(shù)，但是固有像差限制了所實(shí)現(xiàn)的3D成像體積。

自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive optics, AO）是一項(xiàng)眾所周知的光學(xué)技術(shù)，可以評(píng)估入射波前的像差并加以抵消，從而可以精確記錄波前，因此香港科技大學(xué)采用了自適應(yīng)光學(xué)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率的活體深腦成像。

簡(jiǎn)化AO雙光子顯微內(nèi)鏡示意圖及GRIN透鏡固有像差的表征

該項(xiàng)目在其論文中評(píng)論道：“我們的方法是將雙光子激發(fā)熒光（TPEF）信號(hào)用作生物組織內(nèi)部的固有導(dǎo)星。”

深層大腦的結(jié)構(gòu)和功能

該團(tuán)隊(duì)表示，直接波前傳感可以精確預(yù)估像差，而且一旦GRIN透鏡本身的固有像差被評(píng)估出來(lái)，就非常適合利用GRIN透鏡進(jìn)行體內(nèi)成像。變形鏡會(huì)對(duì)激發(fā)光產(chǎn)生補(bǔ)償性畸變，從而在腦組織內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)潛在的衍射受限焦點(diǎn)。

在試驗(yàn)中，該小組利用AO雙光子顯微內(nèi)鏡系統(tǒng)對(duì)小鼠海馬進(jìn)行了活體成像，并解析結(jié)構(gòu)中的樹突棘，團(tuán)隊(duì)成員注意到，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了完全AO校正后分辨率的巨大提升，可以清晰地解析深度達(dá)300微米的樹突棘。

深入觀察：小鼠海馬體

研究人員還利用該平臺(tái)研究了海馬神經(jīng)元的可塑性，即神經(jīng)元結(jié)構(gòu)對(duì)刺激的反應(yīng)變化。特別是對(duì)神經(jīng)元信息處理的兩個(gè)方面——體細(xì)胞和樹突活動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

研究人員表示，一種可視化樹突棘數(shù)量和大小變化的方法將有助于了解人們?cè)谟洃浭軗p期間或在藥物治療后神經(jīng)傳遞的調(diào)控方式。隨后應(yīng)該進(jìn)一步了解學(xué)習(xí)和記憶的分子基礎(chǔ)及其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的失調(diào)。

Jianan Qu補(bǔ)充道，“長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)深層大腦進(jìn)行高分辨率實(shí)時(shí)成像一直是一大挑戰(zhàn)，借助自適應(yīng)光學(xué)雙光子顯微內(nèi)鏡，我們現(xiàn)在可以以前所未有的分辨率研究深層大腦的結(jié)構(gòu)和功能，這將大大加速我們?cè)诹私馍窠?jīng)退行性疾病的機(jī)制和開發(fā)相關(guān)治療方法方面的進(jìn)展。”