辽宁
引言
大脑运转的底层秘密，一直是科学界最难攻克的谜题。神经元之间如何传递信号、相互交流，脑血管如何随神经活动动态变化，这些动态过程，是解析大脑功能的关键。中科院深圳先进院郑炜、叶世蔚科研团队，成功研发全新高通量双光子荧光寿命显微镜LD-2P-FLIM。这套设备如同一台超高灵敏度的大脑高清摄像机，能够对活体小鼠大脑开展大视野、高分辨、多参量的定量功能成像，为探索大脑机理、研发无创脑机接口开辟全新采集路径，相关成果已经发表在《美国国家科学院院刊》。
正文
双光子显微镜凭借较强的穿透能力与光学层析特性，长期是脑科学研究的核心工具。传统设备存在明显短板，成像视野通常不足0.5平方毫米，成像范围和拍摄速度难以兼顾，并且只能依靠荧光强度采集信号，获取信息维度单一。研究团队针对性开发自适应光学校准方案，依托商用光学器件，实现直径3毫米的超大视野，全视野分辨率保持优于0.7微米，大视野和高清成像同时落地。
团队依托时分复用原理打造多区域同步成像系统，在3毫米的广阔视野之内，可以自由挑选两处子区域同步监测，打破多脑区同步观测的限制。传统荧光寿命成像技术，依靠时间相关单光子计数模块，成像速度十分缓慢，一张512像素图像往往需要数十秒甚至数分钟。研究人员自主研发FPGA模块，把荧光寿命成像的数据通量提升200倍以上，每秒可达1573万像素。过去需要几分钟拍下的静态画面，现在可以连续捕捉动态变化，从而实现活体大脑荧光寿命的实时观测。
这套新型显微镜，能够直观捕捉神经元之间的交流活动。设备在3毫米视野内清晰分辨神经元树突棘，同步监测超过3000个神经元的钙离子活动，并且推算对应的神经电位信号。科研人员利用设备，同步记录小鼠遭受疼痛刺激时，运动皮层与感觉皮层的神经活动，帮助科研人员理解不同脑区协同工作的内在机制。设备还可以长时间追踪小胶质细胞，观察细胞修复神经元损伤的完整免疫过程，为脑损伤修复研究提供直观影像证据。
神经血管耦合描述神经活动调节局部血流、血氧水平的规律，解析该机制，对挖掘脑部疾病病理原理意义重大。在电刺激与癫痫小鼠模型实验中，LD-2P-FLIM可以高分辨、无串扰同步采集神经与血管信号，揭示多脑区独特的神经血管耦合时空特征，解析癫痫病灶在毫米尺度、单分子层面的发生与传播过程。
传统光学钙成像只能判断神经元是否被激活，很难定量判断激活强度。团队借助这套设备，在活体小鼠身上完成大规模神经元集群、双区域定量钙离子成像。实验测得，自发活动与癫痫状态下钙离子浓度差异，和脑电极检测结果高度吻合。这套成果，把光学钙成像从定性观测，推向定量测量的新阶段。
这项技术未来拥有两条清晰的发展方向。成像技术层面，研究人员计划搭配低重频高脉冲能量激光器，实现更多脑区同步成像，开发简易算法，直接实时读取荧光寿命数据。脑功能成像层面，结合各类全新荧光寿命探针，实现神经递质、神经调质等化学物质在活体大脑内的定量成像，进一步解锁大脑化学信号的奥秘。
结语
国产新型高通量双光子荧光寿命显微镜，突破传统脑成像设备的速度、视野、定量瓶颈。它让科学家亲眼看见神经元之间的实时对话，直观观测神经、血管、免疫细胞的动态联动。这项国产成像技术的突破，不光推动基础脑科学向前迈进，也会为脑疾病研究、脑机接口技术打下扎实的底层技术基础。
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