Cell：用于大脑3D成像的可佩带式微型双光子荧光显微镜

       钙离子在许多生理活动中扮演重要角色，比如参与细胞多种功能的调节，它作为动物神经细胞中的重要快递员，可以在多种细胞内产生信号，帮助完成神经元功能调节以及信息传递，因此，科学家通常利用钙成像技术来研究大脑活动。

图1 研究组联合组长Edvard Moser（左），May-Britt Moser（右）和研究员Weijian Zong（中）手上举着2.4g微型双光子显微镜。（图片来源：挪威科技大学卡夫利系统神经科学研究所和记忆生物学中心）

       近日，挪威的研究人员设计并展示了一种小型双光子荧光显微镜（以下简称MINI2P），用于对活体小鼠进行跨脑区大规模钙成像（Cell，doi: 10.1016/j.Cell. 2022.02.017）。MINI2P由新型电子可调谐透镜、超柔性锥型光纤束以及扩大的视场角（FOV）组成，其质量仅为2.4 g，能够快速地对大脑不同区域进行高质量3D成像。

       该显微镜及其数据库可在开源平台上获得，并且它作为一种协同工具，帮助研究者更深入地理解大脑如何计划和协调复杂活动以及像阿尔茨海默病这样的神经退行性疾病如何演变。

       在一次新闻发布会上，挪威科技大学研究组联合领导之一May-Britt Moser说：“我们梦想着发明一个探索大脑的窗口，这样我们可以看到大脑如何实现思考、策划、感知和记忆。”May-Britt Moser合作伙伴，研究组联合领导之一Edvard Moser补充说：“标记不同类型的脑细胞帮助我们确定哪些细胞与阿尔茨海默病早期变化有关。”

真·小白鼠

       通过双光子荧光显微镜与神经元Ca离子浓度指示剂荧光标记技术，研究人员可以捕捉与钙离子活动相关的电磁信号，记录大脑的神经冲动。

       目前，用于研究小鼠脑神经元活动的双光子显微镜设备主要是大型台式双光子荧光显微镜和头戴式微型双光子荧光显微镜，它们通过导线输入信号进行光学成像。由于台式显微镜要求模拟刺激时，小鼠保持静止，微型显微镜的成像质量较低，并且多余的导线限制了小鼠活动，所以以上两种设备均不适用于记录活体小鼠的大脑活动。

       Moser实验室表示，他们已经利用MINI2P发明了新型可佩带式微型显微镜，其高通量、高分辨率的成像技术可比肩台式显微镜，并且配有超柔性连接线，不妨碍小鼠自由活动。

微型大脑皮层之窗

       MINI2P的创新设计点包括新型电调谐透镜（以下简称μTlens）和超柔性锥型光纤束（以下简称TFB），以及多视角拼接技术的应用。

图2 对自由小鼠跨脑区大规模钙成像的微型双光子荧光显微镜示意图。不约束动物活动的前提下，该显微镜实现大脑皮层联合区的多视角成像，可包含1000多个神经细胞。（图片来源：W. Zong et al., Cell 185, 1 (2022)）

       μTlens的曲率可以通过静电压快速控制，并向研究者开放了跨脑区神经元活动的不同焦平面。此外，由于较小的额定功率，μTlens不会产生过多的热量，而其它可调谐微透镜会将环境温度提高20℃，造成潜在危险。

       TFB包含一个极细玻璃棒，用于收集和压缩激活神经元的荧光信号。研究人员设计玻璃棒与传统纤维束的信号采集效率一致，这样减小纤维束厚度的同时，增加了光纤的柔韧性。

       此外，研究人员利用多视角拼接技术扩大MINI2P的FOV。本质上，该技术是一种计算机算法，可以将不同宽度和深度拍摄的单个高分辨率荧光图像拼接在一起，从而得到高分辨率3D图像，图像内的神经元多达1000个。

试验模型以及未来计划

       通过原理证明演示方法，研究人员获得了小鼠大脑结构的二维和三维图像，其中包括视觉皮层、内嗅皮层以及海马体。而且，对于活体小鼠大脑内标记的神经细胞，他们可以追踪超过一个月。

       现在，Moser实验室开放了MINI2P，便于任一神经科学实验室获取实验蓝图和教学视频，并开发自己的微型显微镜和共享研究数据。此外，Moser实验室计划于2022年举办MINI2P的研讨会。

       Edvard Moser和May-Britt Moser因发现在大脑中形成定位系统的“网格细胞”，而获得2014年诺贝尔生理学或医学奖，并且他们共同领导挪威科技大学卡夫利系统神经科学研究所和记忆生物学中心。