大脑如何运作？神经元之间如何“对话”？脑血管的变化是怎样的？了解大脑中一系列复杂的动态行为，是深入探索大脑功能的研究重点。
中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所、医学成像科学与技术系统全国重点实验室研究员郑炜、副研究员叶世蔚团队成功研制出一种新型高通量的双光子荧光寿命显微镜（LD-2P-FLIM）。该显微镜就像捕捉大脑复杂动态的“高清摄像机”，能够对活体小鼠大脑进行高分辨率、大视野、多脑区、多参量、定量化功能成像。这为理解大脑运行机制，无创脑机接口提供了新的信息采集范式。相关研究近日发表于《美国国家科学院院刊》。
脑成像新利器
双光子显微镜具有穿透能力强、天然光学层析能力强等特点，是脑科学研究中的利器。然而，传统的双光子显微镜存在一系列瓶颈：视野受限（通常小于0.5平方毫米）、成像区域与成像速度之间存在矛盾、仅依赖荧光强度导致信息维度单一等。
针对这些挑战，研究团队开发了一种有效的自适应光学校准方法，在仅使用商用光学器件的条件下，实现了视野直径达3毫米且能维持全视野分辨率优于0.7微米的大视野高分辨率双光子成像。
此外，研究团队破解了成像区域与成像速度之间的矛盾，基于“时分复用”原理，开发了多区域同步成像系统，可在3毫米的全视野范围内任意、灵活选择两个子区域进行同步监测。
“传统的基于时间相关单光子计数模块的荧光寿命成像（FLIM）方法速度极慢。例如，获得一幅512像素的荧光寿命图像可能需要数十秒甚至几分钟。”叶世蔚介绍，研究团队研发的FPGA模块可将荧光寿命成像数据通量提升超过200倍，达到每秒1573万像素。这意味着原来拍一张“照片”的时间，现在能拍一部“电影”，让利用FLIM实时观察活体大脑的动态变化成为可能。
应用潜力巨大
研究团队发现，这一新型高通量双光子荧光寿命显微镜在大脑功能成像方面拥有多种应用场景。
研究结果显示，该显微镜能成功看清神经元之间的“对话”行为。它不仅能在3毫米的完整视野中清晰识别神经元树突棘结构，还能同步探测超3000个神经元的钙离子活动，并推测出相应的神经电位信号。
另外，该显微镜还能同时监测小鼠在疼痛刺激下的运动和感觉皮层的神经活动，有助于理解不同脑区之间的协同工作机制。
在免疫细胞追踪研究中，该显微镜可实现长时间追踪小胶质细胞对神经元损伤的免疫过程，为理解脑损伤后的免疫修复机制提供直观证据。
神经血管耦合是大脑神经活动对局部血流、血氧动态调节的功能机制，了解该机制对深入探究疾病背后的病理过程具有重要意义。
研究人员发现，在电刺激和癫痫小鼠模型下，LD-2P-FLIM能高分辨、无串扰、实时监测小鼠的神经和血管信号：不仅能揭示多脑区上特殊的神经血管耦合时空特征，还能解析癫痫病灶在毫米尺度、单分子水平的发生和传播机制。
“光学钙成像是系统神经科学中研究群体神经活动的核心技术，但传统方法只能告诉你‘哪个神经元亮了’，但说不清‘亮了多少’。”叶世蔚介绍，研究团队在活体小鼠上首次实现了大规模神经元集群、双区域的定量钙离子成像，并发现自发活动和癫痫状态下测得的钙离子浓度差异，与脑电极测得的结果几乎一致。“这一结果表明，LD-2P-FLIM有望将光学钙成像研究从原有的定性水平推进到定量水平。”
未来，该技术有望在两个层面展开深入研究：在成像技术方面，可结合低重频高脉冲能量的激光器实现更多脑区的同步成像，并开发无需复杂计算即可实时获取荧光寿命的新方法；在大脑功能成像方面，可结合更多新型荧光寿命探针，为神经递质、神经调质等神经化学物质的在体定量成像提供工具。（记者 罗云鹏）