Neuroscience Bulletin 2020年第10期封面文章 | 对话程和平团队: 大国重器,窥视大脑的奥秘


  近日,程和平院士团队在Neuroscience Bulletin 2020年第10期以封面文章形式发表了题为:Miniature Fluorescence Microscopy for Imaging Brain Activity in Freely-Behaving Animals的综述。NB编辑部邀请了本文第一作者陈诗源博士分享研究团队的科研思路,他们是如何一步步地在成像领域深耕、成长。

 

 

NB:能否分享一下程院士团队的研究方向?

  目前我们团队主要关注脑科学领域,融合个体行为、微观神经活动和大脑的信息处理方式是我们的目标之一。通过在分子、细胞、回路和系统的不同层面研究动物行为和神经活动的联系,最终破译大脑对信息进行处理的基本原理。在活体高分辨自由运动成像方面,我们聚焦于高时空分辨的微型化双光子显微镜(fast high-resolution,miniaturized two-photon microscopy,FHIRM-TPM)的研发及其在神经生物学和医学领域的应用。这种头戴式的微型化显微镜可以由动物“戴着跑”,能够长时程的记录动物在进行各种生理活动或行为任务时的神经活动。同时,我们也在不断进行技术革新,我们的第二代微型化双光子显微镜(FHIRM-TPM 2.0)也即将发表,它具有更大的成像视场和三维成像能力。另一方面,借助北京大学分子医学南京转化研究院的全景式、一站式的成像平台,通过高通量、规模化的设备,成百倍的提高科研效率,以回答大型的脑科学问题,如睡眠、社交、学习、记忆等。

 

图1 FHIRM-TPM实物图

 

NB:在FHIRM-TPM的研制过程中是否遇到了挑战,是如何解决的?

  2014年,在国家重大科研仪器设备研制专项的支持下,程院士带领我们这一支跨学科的团队着手研发能够真正被神经科学家们使用的微型化双光子显微镜。我们遇到的挑战主要有以下几点:一是能够对神经科学家们最常用的GFP/GCaMPs指示剂成像;二是如何实现高时空分辨率;三是如何保证性能的同时,最小化FHIRM-TPM对小老鼠行为的影响。

  要对GFP或者GCaMPs成像,就需要把920nm波段的飞秒脉冲激光无畸变的传输到头戴式探头。为了减少非线性和色散,我们设计定制了中心波长为920nm的空芯光子晶体光纤。我们整体优化了微型光学系统,其中包括一个NA为0.8的微型物镜,使FHIRM-TPM具有树突棘级别的分辨率;新型微机电扫描镜也使其具有视频级帧率。为了减小FHIRM-TPM对小鼠行为的影响,我们设计了一款柔软光纤束,使动物运动引起的扭矩和拉拽力最小化,并且不降低荧光的收集效率。

 

图2 宽场显微镜、台式双光子显微镜和FHIRM-TPM的对比

 

NB:能否介绍一下FHIRM-TPM有哪些可能的应用场景?

  对于行为范式,我们可以研究社交、恐惧、睡眠、打斗等。对于模式动物,FHIRM-TPM可以适用于小鼠、大鼠、鸟类、猴、狗等。在技术上,我们也可以实现多脑区成像、多平面成像、结合光遗传学等。

 

图3 同时对正在进行社交活动的两只小鼠的前额叶皮层的神经元成像

 

NB: 为什么会选择NB?您是从什么渠道了解到NB的?在投稿的过程中,NB给您留下了怎样的印象?

  Neuroscience Bulletin是一个在神经科学领域具有高影响力的杂志。我们很荣幸受到了魏彬编辑的邀请,让我们有机会谈一些对微型化荧光显微镜的理解。在整个投稿过程中,编辑和审稿人们给予了我们这篇综述很多实质性的帮助。非常感谢!

内容亮点

  微型化荧光显微成像技术能够可视化自由运动动物的大脑活动,这一技术也与其他自由运动成像技术一起被评为2018年Nature Methods的年度方法。在这篇综述中,我们回顾了过去十几年来这一领域的发展和现状,总结了各种微型化单光子显微镜和微型化双光子显微镜的优缺点,并展示了其应用范例,以及对未来发展趋势的展望。

 

参考文章:
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.