在2020年12月22日，臨研所、病理科和科研處邀請(qǐng)北京大學(xué)王愛(ài)民副教授做了題目為“新一代微型雙光子顯微成像系統(tǒng)介紹及其在臨床醫(yī)療診斷”的學(xué)術(shù)報(bào)告。學(xué)術(shù)報(bào)告由臨研所醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)潘琳老師主持。王愛(ài)民，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，獲學(xué)士、碩士學(xué)位，后于英國(guó)巴斯大學(xué)物理系獲博士學(xué)位。該研究組研發(fā)的微型雙光子顯微鏡，第1次在國(guó)際上獲得了小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)信號(hào)，該成果獲得了2017年度“中國(guó)光學(xué)進(jìn)展”和“中國(guó)科學(xué)進(jìn)展”，并被NatureMethods評(píng)為2018年度“年度方法--無(wú)限制行為動(dòng)物成像”。目前，該研究組正在研究新一代雙光子顯微成像技術(shù)在臨床診斷中的應(yīng)用，為未來(lái)即時(shí)病理、離體組織檢測(cè)、術(shù)中診斷等提供新的影像手段和分析方法。雙光子顯微鏡有這么多優(yōu)點(diǎn)，那么雙光子顯微鏡有哪些應(yīng)用呢？國(guó)外2PPLUS雙光子顯微鏡原理

雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。雙光子激發(fā)的基本原理是:在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時(shí)吸收2個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子，在經(jīng)過(guò)一個(gè)很短激發(fā)態(tài)后，發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)較短的光子;其效果和使用一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的。因其光損傷小、使得觀察熒光細(xì)胞成為可能。中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所-雙光子顯微鏡成像平臺(tái)借助于雙光子顯微鏡成像技術(shù)及不同轉(zhuǎn)基因小鼠開(kāi)展對(duì)多種臟器的成像研究。以小鼠顱內(nèi)成像為優(yōu)勢(shì)，可觀察小鼠顱內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞、周細(xì)胞、血管、轉(zhuǎn)移瘤細(xì)胞、膠質(zhì)瘤細(xì)胞等的變化情況，在**學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)退行性疾病等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。小鼠其它組織臟器，如脾、顱骨、股骨、胸骨等也可借助本平臺(tái)進(jìn)行成像研究。國(guó)內(nèi)ultimainvestigator雙光子顯微鏡原理雙光子顯微鏡比單光子共聚焦顯微鏡較大的不同在于無(wú)須使用孔限制光學(xué)散射。

首先我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下激光掃描共聚焦和雙光子這兩種當(dāng)紅的顯微成像技術(shù)。激光掃描共聚焦顯微技術(shù)，是熒光顯微成像的一種，用于激發(fā)樣品的熒光信號(hào)并對(duì)其放大成像。在激光掃描共聚焦顯微鏡中，樣品焦平面上每一時(shí)刻只有一個(gè)點(diǎn)被激發(fā)光照射，縱然焦平面外也有激發(fā)光照射，但通過(guò)探測(cè)器前的（pinhole），有焦平面上的熒光信號(hào)能被探測(cè)器接收。也就是說(shuō)，每個(gè)時(shí)刻，只有焦平面上一個(gè)點(diǎn)的信號(hào)被探測(cè)。通過(guò)點(diǎn)掃描的方式，一個(gè)個(gè)點(diǎn)的信號(hào)就可以組合出終的圖像。雙光子顯微鏡（包括多光子顯微鏡）同樣采用點(diǎn)掃描的方式得到圖像。不同的是，其采用的激發(fā)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，只有當(dāng)兩個(gè)（或更多）激發(fā)光光子幾乎同時(shí)轟擊熒光探針的時(shí)候才可能激發(fā)出熒光信號(hào)。所以只有在光子密度特別大的焦點(diǎn)，出才會(huì)激發(fā)出熒光。也就是說(shuō)，雙光子顯微鏡中，同樣每個(gè)時(shí)刻只有焦平面上一個(gè)點(diǎn)的信號(hào)被探測(cè)，并且連焦平面外的熒光信號(hào)也不會(huì)有。

目前，世界各國(guó)的腦科學(xué)研究如火如荼，中國(guó)的腦計(jì)劃也即將啟動(dòng)。其中，關(guān)于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究成為重點(diǎn)研究方向，而如何打破尺度壁壘，融合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)與大腦整體的信息處理和個(gè)體行為信息，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。2021年1月6日，由北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所牽頭，聯(lián)合北大信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、工學(xué)院以及中國(guó)人民******醫(yī)學(xué)科學(xué)院等組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，在NatureMethods在線(xiàn)發(fā)表題為“Miniaturetwo-photonmicroscopyforenlargedfield-of-view,multi-plane,andlong-termbrainimaging”的文章。文中報(bào)道了第二代微型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0，其成像視野是該團(tuán)隊(duì)于2017年發(fā)布的低1代微型化顯微鏡的7.8倍，同時(shí)具備三維成像能力，獲取了小鼠在自由運(yùn)動(dòng)行為中大腦三維區(qū)域內(nèi)上千個(gè)神經(jīng)元清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)功能圖像，并且實(shí)現(xiàn)了針對(duì)同一批神經(jīng)元長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的追蹤記錄。雙光子顯微鏡結(jié)合了雙光子激發(fā)技術(shù)和激光掃描共聚顯微鏡。

雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì)：在深度組織中以較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)活細(xì)胞成像，雙光子顯微鏡是當(dāng)前之選。雙光子和共聚焦顯微鏡都是通過(guò)激光激發(fā)樣品中的熒光標(biāo)記，使用探測(cè)器測(cè)量被激發(fā)的熒光。但是，共聚焦一般使用單模光纖耦合激光器，通過(guò)單光子激發(fā)熒光，而雙光子使用飛秒激光器，通過(guò)幾乎同時(shí)吸收兩個(gè)長(zhǎng)波光子激發(fā)熒光。下面是兩種技術(shù)的對(duì)比圖。雙光子激發(fā)熒光的主要優(yōu)勢(shì)：雙光子比共聚焦使用的更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，所以對(duì)組織的損傷更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般為100微米，雙光子則能達(dá)到250到500微米，甚至超過(guò)1毫米。另外，同時(shí)吸收兩個(gè)光子意味只有度聚焦點(diǎn)處能被激發(fā)，所以不會(huì)損傷焦平面之外的組織，并且生成更清晰的圖像。雙光子顯微鏡的應(yīng)用中，該如何選擇以及更好的使用PMT。國(guó)內(nèi)ultimainvestigator雙光子顯微鏡原理

雙光子顯微鏡使用長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖光，是通過(guò)物鏡匯聚的。國(guó)外2PPLUS雙光子顯微鏡原理

雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎(jiǎng)得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因?yàn)橛辛思す獠诺玫綄?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是到WinfriedDenk發(fā)明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術(shù)挑戰(zhàn)和飛秒激光發(fā)揮的重要作用，首先要了解其中的非線(xiàn)性過(guò)程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生非線(xiàn)性過(guò)程，這要求極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，而電場(chǎng)取決于聚焦光斑大小和激光脈寬。聚焦光斑越小，脈寬越窄，雙光子吸收效率越高。對(duì)于衍射極限顯微鏡，聚焦在樣品上的光斑大小只和物鏡NA和激光波長(zhǎng)有關(guān)，所以關(guān)鍵變量只剩下激光脈寬。基于以上分析，能夠以高重頻(100MHz)輸出超短脈沖(100fs量級(jí))的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這也再次說(shuō)明雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì)：只有焦平面處才能形成雙光子吸收，而焦平面之外由于光強(qiáng)低無(wú)法被激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。國(guó)外2PPLUS雙光子顯微鏡原理