大腦如何運作？神經元之間如何“對話”？腦血管的變化是怎樣的？了解大腦中一系列復雜的動態行為，是深入探索大腦功能的研究重點。

中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所、醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室研究員鄭煒、副研究員葉世蔚團隊成功研制出一種新型高通量的雙光子熒光壽命顯微鏡（LD-2P-FLIM）。該顯微鏡就像捕捉大腦復雜動態的“高清攝像機”，能夠對活體小鼠大腦進行高分辨率、大視野、多腦區、多參量、定量化功能成像。這為理解大腦運行機制，無創腦機接口提供了新的信息採集范式。相關研究近日發表於《美國國家科學院院刊》。

腦成像新利器

雙光子顯微鏡具有穿透能力強、天然光學層析能力強等特點，是腦科學研究中的利器。然而，傳統的雙光子顯微鏡存在一系列瓶頸：視野受限（通常小於0.5平方毫米）、成像區域與成像速度之間存在矛盾、僅依賴熒光強度導致信息維度單一等。

針對這些挑戰，研究團隊開發了一種有效的自適應光學校准方法，在僅使用商用光學器件的條件下，實現了視野直徑達3毫米且能維持全視野分辨率優於0.7微米的大視野高分辨率雙光子成像。

此外，研究團隊破解了成像區域與成像速度之間的矛盾，基於“時分復用”原理，開發了多區域同步成像系統，可在3毫米的全視野范圍內任意、靈活選擇兩個子區域進行同步監測。

“傳統的基於時間相關單光子計數模塊的熒光壽命成像（FLIM）方法速度極慢。例如，獲得一幅512像素的熒光壽命圖像可能需要數十秒甚至幾分鐘。”葉世蔚介紹，研究團隊研發的FPGA模塊可將熒光壽命成像數據通量提升超過200倍，達到每秒1573萬像素。這意味著原來拍一張“照片”的時間，現在能拍一部“電影”，讓利用FLIM實時觀察活體大腦的動態變化成為可能。

應用潛力巨大

研究團隊發現，這一新型高通量雙光子熒光壽命顯微鏡在大腦功能成像方面擁有多種應用場景。

研究結果顯示，該顯微鏡能成功看清神經元之間的“對話”行為。它不僅能在3毫米的完整視野中清晰識別神經元樹突棘結構，還能同步探測超3000個神經元的鈣離子活動，並推測出相應的神經電位信號。

另外，該顯微鏡還能同時監測小鼠在疼痛刺激下的運動和感覺皮層的神經活動，有助於理解不同腦區之間的協同工作機制。

在免疫細胞追蹤研究中，該顯微鏡可實現長時間追蹤小膠質細胞對神經元損傷的免疫過程，為理解腦損傷后的免疫修復機制提供直觀証據。

神經血管耦合是大腦神經活動對局部血流、血氧動態調節的功能機制，了解該機制對深入探究疾病背后的病理過程具有重要意義。

研究人員發現，在電刺激和癲癇小鼠模型下，LD-2P-FLIM能高分辨、無串擾、實時監測小鼠的神經和血管信號：不僅能揭示多腦區上特殊的神經血管耦合時空特征，還能解析癲癇病灶在毫米尺度、單分子水平的發生和傳播機制。

“光學鈣成像是系統神經科學中研究群體神經活動的核心技術，但傳統方法只能告訴你‘哪個神經元亮了’，但說不清‘亮了多少’。”葉世蔚介紹，研究團隊在活體小鼠上首次實現了大規模神經元集群、雙區域的定量鈣離子成像，並發現自發活動和癲癇狀態下測得的鈣離子濃度差異，與腦電極測得的結果幾乎一致。“這一結果表明，LD-2P-FLIM有望將光學鈣成像研究從原有的定性水平推進到定量水平。”

未來，該技術有望在兩個層面展開深入研究：在成像技術方面，可結合低重頻高脈沖能量的激光器實現更多腦區的同步成像，並開發無需復雜計算即可實時獲取熒光壽命的新方法﹔在大腦功能成像方面，可結合更多新型熒光壽命探針，為神經遞質、神經調質等神經化學物質的在體定量成像提供工具。（記者 羅雲鵬）