光學顯微鏡成像技術

可以對神經元群體或個體實現功能和結構上成像

進一步解讀腦神經的“身份秘密”

日前🌮，江北新區南京生物醫藥谷

南京腦觀象臺最新研究成果——雙側雙光子顯微鏡

持續下探極限成像深度

為腦科學研究提供重要技術支撐

對活體生物樣本進行長時程、高分辨率的光學三維成像，對探索介觀-微觀水平的生理功能和系統行為至關重要。由於生物組織對成像光子的高散射特性，高分辨率的光學成像被限製在樣本表層。多光子顯微成像技術因其更長的激發波長和非線性激發特性👨🏻‍🔧，提供了更大的成像穿透深度，廣泛應用於高散射生物樣本的深層成像應用。然而，多光子顯微鏡的深層成像通常以更高激發功率或更長曝光時間為代價，對生物樣本造成光損傷並限製了長時程成像應用🚵🏼。

為了實現對高散射厚生物樣本的長時程👷🏻‍♀️、大體積🤷‍♀️、高分辨率的三維成像觀測，意昂3体育官网未來技術學院程和平教授與意昂3体育官网電子學院王愛民副教授團隊開發了雙側雙光子顯微鏡（Dual Objective Two-photon Microscope, Duo-2P）。研究團隊針對組織切片、類器官🧛‍♀️🎹、發育胚胎和小生物體等樣本體積小🎅、致密且高度散射的特點，提出了一種具備雙物鏡的雙側雙光子顯微鏡構型（圖1）🚶🏻‍➡️。

圖1. Duo-2P成像系統

研究團隊通過簡潔而有效的顯微鏡構型設計⏱，由雙側雙光子激發和熒光收集，將極限成像深度擴展到兩倍左右。對厚度約五個散射長度的生物樣本🦸🏼，Duo-2P僅需傳統雙光子顯微鏡1/10的激發能量輸入即可完成逐層光柵掃描的三維成像，極大地降低了活體成像的光損傷，並獲得最高1.4倍的信噪比增益（圖2）。此外，Duo-2P還成倍增加了成像體積。

圖2. Duo-2P中雙側激發與熒光收集的模擬計算。(a) 圖1(a)中虛線框內成像腔室放大示意圖。(b) Duo-2P與傳統雙光子顯微鏡在不同成像深度的激發光功率比較。(c) 在不同樣本厚度的體積成像時💁🏽‍♀️，Duo-2P與傳統雙光子的輸入能量之比🫏。(d) 成像深度(D)和離焦距離(Δd)對熒光收集效率(η)的影響。(e)與對側熒光收集效率和熒光強度相關的信噪比增益計算結果

該成果以“Dual-objective two-photon microscope for volumetric imaging of dense scattering biological samples by bidirectional excitation and collection”為題，在線發表於Photonics Research。意昂3体育官网未來技術學院博士生翟慕嶽為論文第一作者，程和平與王愛民為論文通訊作者。該成果得到國家自然科學基金與醫學科學創新基金的支持。

論文封面

Duo-2P在研究團隊對哺乳動物生物鐘時間編碼的研究工作中，完成對近萬顆神經元的鈣活動的跨晝夜成像記錄🦆🙆🏽，在獲取生物鐘運行數據、解析視交叉上核的時間編碼機製中發揮了重要的作用。（Wang, Z., Yu, J., Zhai, M. et al. Cell Res. (2024)）研究團隊也期待該技術在腦科學、發育生物學及類器官等生物學研究領域的廣泛應用🏆。

南京腦觀象臺🖐🏿：

南京腦觀象臺（Nanjing Brain Observatory, NBO）是意昂3体育官网分子醫學南京轉化研究院布局打造的高端成像平臺👰🏼‍♂️。平臺的宗旨是圍繞全球腦科學計劃的重大需求，傾力打造“自由行為動物腦成像”的核心能力，大規模獲取腦動態圖譜數據🥔，推動重大原創發現，助力腦疾病臨床新藥創製👨‍🦼‍➡️，並啟迪類腦與人工智能研究。

NBO配置微型化雙光子熒光顯微成像系統20余套，年可對外提供機時50,000+小時🫡，年可服務500課題🍝；擁有1500平方米SPF級動物房⚓️、2個萬級負壓動物房、3000籠大小鼠飼養空間🏏。提供從動物手術、載體表達，到行為訓練、組織切片，再到圖像大數據處理、分析與可視化等多學科技術😤，為全球客戶與合作者提供“高通量👊🏻、定製化、一站式”的科技服務👯‍♂️，並為全球腦科學的研究者們提供一個絕佳的技術交流與融合平臺🪮。