江蘇鐳射聯盟導讀：
研究人員開發了一種雙光子顯微鏡，它提供了前所未有的大腦成像能力。
要想加深我們對人腦的理解，就需要對包括實驗室小鼠在內的哺乳動物的神經迴路如何工作有新的認識。這些研究需要用解析度足夠高的顯微鏡來監測大腦活動，以便觀察單個神經元和它們的鄰居。
實驗人員Spencer Smith在實驗室裡使用開創性的Diesel2p顯微鏡。來源：College of Engineering
雙光子熒光顯微技術已經大大提高了研究人員的能力，而加州大學Barbara分校電子與計算機工程系副教授SpencerLaVere Smith的實驗室，是推進這項技術研究的溫床。作為美國國家科學基金會資助的新一代多光子神經成像聯盟(Nemonic)中心的首席研究員，該中心由Obama總統的大腦計劃創立，總部設在加州大學聖保羅分校(UCSB)，史密斯致力於“推動神經科學研究中多光子顯微鏡的前沿”。
在11月17日的Nature Communications上，Smith和他的合著者報告了一種新型顯微鏡的開發，他們將其描述為“用於大視場雙光子成像的雙獨立增強掃描引擎(Diesel2p)”。他們的雙光子顯微鏡提供了前所未有的腦成像能力。該裝置擁有任何此類裝置中最大的視場(高達25平方毫米)，使其能夠提供大腦多個區域的亞細胞解析度。
Diesel2p系統特性、佈局和效能基準。
Smith解釋說:“我們正在最佳化三件事:看到單個神經元的解析度，同時捕捉多個大腦區域的視野，以及捕捉行為中神經元活動的變化的成像速度。我們感興趣的成像事件持續不到一秒，所以我們沒有時間移動顯微鏡;我們必須一次拍攝所有的東西，同時仍要確保光學系統能夠聚焦超快脈衝鐳射。”
驅動雙光子成像系統的大功率鐳射器，每臺成本約為25萬美元，能產生超快、超強的光脈衝，每臺鐳射器的亮度超過陽光的10億倍，持續時間為0.0001納秒。每秒8000萬次脈衝的單一光束被分成兩個完全獨立的掃描引擎臂，使顯微鏡能夠同時掃描兩個區域，每個區域配置不同的成像引數。
Diesel2p提供了整個視野內神經活動的亞細胞解析度雙光子成像。
在該儀器的前幾次迭代中，兩個鐳射器被連線並配置為相同的引數，這種安排強烈地限制了取樣。最佳掃描引數，如幀速率和掃描區域大小，因分散式神經電路和實驗要求而異，新儀器允許對兩束光束使用不同的掃描引數。這種新裝置包含了多種定製設計和定製製造的元件，包括光學繼電器、掃描透鏡、管狀透鏡和物鏡。由於其能夠在廣泛分散的大腦區域提供神經活動的高速成像，它已經被廣泛採用。
Smith致力於確保儀器的開放獲取。早在這篇新論文發表之前，他和他的合著者就釋出了一份預印本，其中包括複製這篇論文所需的工程細節。他們還與波士頓大學(Boston University)的同事分享了這項技術。在波士頓大學，Jerry Chen實驗室的研究人員已經對這項技術進行了修改，以適應他們自己的實驗。
“這令人興奮。”Smith說。“他們不需要像我們一樣從零開始。他們可以在我們的基礎上建造。Jerry的論文與我們的論文接連發表，兩家公司INSS和CoSys已經出售了基於我們設計的系統。因為這項技術沒有專利，將來也不會有，所以所有人都可以自由使用和修改他們認為合適的技術。”
具有雙獨立掃描引擎的靈活測量。
雙光子顯微鏡是熒光顯微鏡的一種特殊型別。為了在Smith的實驗室中進行這項工作，研究人員對老鼠進行基因改造，使它們的神經元含有一種神經元活動的熒光指示器。該指示劑是將水母的熒光蛋白和自然界存在的鈣結合蛋白結合而成的。這種方法利用了神經元放電時短暫的、數量級的鈣增加。當鐳射指向神經元時，神經元放電，鈣離子進來，蛋白質找到鈣離子，最終發出熒光。
雙光子成像透過利用光子的量子行為，在某種程度上防止產生大量的失焦熒光光，從而增強了熒光顯微鏡。在普通的光學顯微鏡中，來自激發樣品的光源的光以一種方式進入樣品，這種方式產生一個垂直的光錐，使其縮小到目標焦點區域，然後在該點以下形成一個倒錐。任何不在最窄點上的光都是失焦的。
雙光子顯微鏡中的光表現不同，它產生了一個聚焦的單點(沒有光錐)，消除了所有到達成像透鏡的失焦光。Smith解釋說:“這張照片只顯示了我們正在觀察的那架飛機的光線，而沒有太多來自飛機上下的背景訊號。大腦具有光學特性和像黃油一樣的質地。它充滿了脂質和水溶液，使它很難被看穿。在正常的光學成像中，你只能看到大腦的頂部。雙光子成像使我們能夠更深入地成像，並仍然達到亞細胞解析度。”
雙光子激發光的另一個優點是它使用低能量、長波長的光(在近紅外範圍內)。這種光在穿過組織時散射更少，所以它可以在組織深處敏銳地聚焦。此外，較低能量的光對樣品的損害小於較短波長的光，如紫外線。
Smith的實驗室在老鼠身上測試了這種裝置，觀察它們執行任務時的大腦，比如觀看影片或在虛擬現實環境中導航。每隻老鼠的頭蓋骨上都植入了一塊玻璃，為顯微鏡觀察其大腦提供了一扇真正的窗戶。
新的顯微鏡技術揭示了老鼠大腦中100萬個神經元的活動。
他說:“我的動機是試圖理解神經迴路的計算原理，這讓我們可以做一些目前無法在機器上覆制的有趣的事情。我們可以製造一臺機器來做很多比我們更好的事情。但對於其他事情，我們不能。我們訓練青少年駕駛汽車，但自動駕駛汽車在許多人類不會的情況下都失敗了。我們用於深度學習的系統是基於大腦的洞察力，但它們只是少數的洞察力，而不是全部。它們工作得很好，但仍然很脆弱。相比之下，我可以把一隻老鼠放在它從未去過的房間裡，它會跑到我夠不著的地方。它不會撞到任何牆壁。它能非常可靠地做到這一點，只需要大約一瓦特的功率。“
“有一些有趣的計算原理，我們還無法在存在於老鼠大腦中的人造機器中複製，”Smith繼續說，“我想開始揭示這些原理。”這就是為什麼我想建造這臺顯微鏡。”
來源：Diesel2p mesoscope with dual independent scan engines for flexiblecapture of dynamics in distributed neural circuitry, Nature Communications(2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26736-4
江蘇鐳射聯盟陳長軍原創作品！
