超維景微型化三光子顯微鏡SUPERNOVA-3000隆重上市

 
大腦深部區(qū)域與基本生命功能密切相關(guān)，在各種神經(jīng)疾病中均觀察到深部大腦的結(jié)構(gòu)和功能異常，例如帕金森病、阿爾茨海默癥、抑郁癥和強(qiáng)迫癥等。但在嚙齒類動物研究模型中，由于神經(jīng)組織，特別是胼胝體，具有對光的高散射光學(xué)特性。如何突破成像深度極限，在自由活動動物上對距離腦表層深度＞1 mm的結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像存在極大的挑戰(zhàn)。三光子成像技術(shù)的出現(xiàn)將成像深度大大擴(kuò)展至1500 μm，為非侵入式深腦成像帶來了曙光。
   
解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜是我國和世界多國腦計劃的一個重點(diǎn)研究方向，但傳統(tǒng)的多光子顯微鏡進(jìn)行常規(guī)腦成像通常需要將動物的頭部固定在臺式顯微鏡上，這嚴(yán)重限制了模式動物的自由生理狀態(tài)。為此需要打造自由行為動物佩戴式顯微成像類研究工具。

※ 2017年，北京大學(xué)程和平院士團(tuán)隊成功研制第一代 2.2g微型化雙光子顯微鏡，獲取了小鼠在自由行為過程中大腦皮層神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的動態(tài)圖像。
※ 2021年，該團(tuán)隊的第二代微型化雙光子顯微鏡將成像視野擴(kuò)大了 7.8 倍，同時具備獲取大腦皮層上千個神經(jīng)元功能信號的三維成像能力。
※2023年2月，北京大學(xué)程和平-王愛民團(tuán)隊再一次實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，將微型化探頭與三光子成像技術(shù)結(jié)合，并在 Nature Methods 發(fā)表文章 “Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection  ”。文章報道了僅2.17g的微型化三光子顯微鏡，首次實(shí)現(xiàn)對自由行為小鼠的大腦全皮層和海馬神經(jīng)元功能成像，為揭示大腦深部結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)機(jī)制開啟了新的研究范式。   依托專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊和深厚的技術(shù)積淀，SUPERNOVA-3000應(yīng)運(yùn)而生。SUPERNOVA-3000通過高度集成化、系統(tǒng)化、工業(yè)化設(shè)計將微型化探頭的重量控制在2.2g。搭配獨(dú)有的光學(xué)設(shè)計突破微型化顯微鏡的成像深度極限，在全球范圍內(nèi)開創(chuàng)性構(gòu)建自由行為動物深腦成像“新范式”。
 
Go deeper
利用五階非線性效應(yīng)以及穿透力更強(qiáng)的激發(fā)熒光（1300 nm），一舉突破此前微型化多光子顯微鏡的成像深度極限。  
顯微鏡激發(fā)光路可以穿透整個小鼠大腦皮層和胼胝體，實(shí)現(xiàn)對小鼠海馬CA1亞區(qū)形態(tài)及功能的直接觀測記錄。神經(jīng)元鈣信號最大成像深度可達(dá)1.2 mm，血管成像深度可達(dá)1.4 mm。
   
More Freedom
●2.2g新型微型化探頭
微型化探頭通過新型內(nèi)嵌阿貝聚光鏡復(fù)合式光學(xué)構(gòu)型，體積僅2 × 1.6 × 0.9 cm³，實(shí)現(xiàn)飛秒激光脈沖無畸變傳輸、高質(zhì)量激光匯聚、高效率熒光收集和激發(fā)。開創(chuàng)性的將三光子光學(xué)組件高度集成在一個微型化探頭內(nèi)。同時外殼使用超輕金屬，重量僅2.2g既輕盈又堅固，搭配電動變焦模塊、定制光纖、光屏蔽GaAsP PMT，保證了對自由運(yùn)動小鼠深腦神經(jīng)活動的高穩(wěn)定性、高分辨成像。
●激光傳導(dǎo)光纖--空芯光子帶隙光纖
系列光纖均具有準(zhǔn)單模傳輸、低損耗、低非線性、低色散、高激光器損傷閾值的特點(diǎn)。高效率傳輸1300 nm飛秒脈沖激光，將空間光路轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w傳輸，強(qiáng)抗彎折性能，使自由運(yùn)動下觀察成為可能。
Less damage
●非侵入式手術(shù)
◆深腦成像避免使用GRIN Lens，對小鼠大腦損傷更小，避免影響小鼠正常神經(jīng)生理狀態(tài)
◆無GRIN Lens，成本更低
◆手術(shù)便捷，成功率更高 

●超低光毒性
散射熒光增強(qiáng)收集系統(tǒng)——深腦超低功率成像
SUPERNOVA-3000創(chuàng)新的使用微型阿貝聚光鏡與無限遠(yuǎn)物鏡密接提高散射光的收集效率，李斯特微型管鏡復(fù)用簡化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化光路設(shè)計，提高熒光收集效率的同時，保證了大視場分辨率�？傮w上，散射熒光增強(qiáng)收集構(gòu)型使微型化顯微鏡的散射熒光收集效率實(shí)現(xiàn)了成倍的提升，實(shí)現(xiàn)了在超低成像功率下對自由運(yùn)動小鼠大腦深部腦區(qū)神經(jīng)元活動進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。
基于散射熒光增強(qiáng)收集構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)全皮層鈣信號成像僅需幾個毫瓦，海馬鈣信號成像僅需要幾十毫瓦，大大低于組織損傷的安全閾值。因此，SUPERNOVA-3000可以長時間、不間斷連續(xù)觀測神經(jīng)元功能活動，且不產(chǎn)生明顯的光漂白與光損傷。  
動物自由運(yùn)動成像
●行為學(xué)實(shí)驗(yàn)下的小鼠頂葉后皮質(zhì) L6（PPC L6）的神經(jīng)元鈣活動（成像深度650 μm）
微型化三光子顯微鏡可以搭配不同行為學(xué)實(shí)驗(yàn)的深部腦區(qū)進(jìn)行單細(xì)胞級的穩(wěn)定高時空分辨率成像，滿足實(shí)時監(jiān)測單個神經(jīng)元的活動，結(jié)構(gòu)變化以及不同功能神經(jīng)元分類等實(shí)驗(yàn)需求。 ●長時程監(jiān)測自由運(yùn)動小鼠大腦海馬CA1亞區(qū)的神經(jīng)元鈣活動（成像深度978 μm）