國外2PPLUS雙光子顯微鏡光刺激

雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因為有了激光才得到實驗驗證，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性過程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生非線性過程，這要求極高的電場強度，而電場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)的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優(yōu)勢：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低無法被激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見光波長)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可，但是使用很不方便所以遠未實現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態(tài)光源優(yōu)勢，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調(diào)諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。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。國外2PPLUS雙光子顯微鏡光刺激

雙光子顯微鏡為什么穿透能力強？生物組織在近紅外波段存在兩個窗口,第1個近紅外窗口對應(yīng)波長在700nm-900nm,第2個近紅外窗口對應(yīng)波長在1000nm-1400nm之間。舉例說明就是單晶硅對于可見光幾乎是不透明的，但是對于紅外波段就像是“水晶”一樣通透性很好了。原因有兩點：1.生物組織對紅外光的吸收弱，對可見光吸收強。類似的，平時用手電筒照射手指，會看到手通透紅亮，也是由于生物組織對長波長的紅光吸收少。2.生物組織對紅外光的散射弱。因為瑞利散射的強度反比于波長λ的四次方。類似的，早晨的太陽非常紅，也就是因為長波長的紅光穿透力更強。這兩點共同導(dǎo)致長波長的紅外光比可見光對生物組織的穿透能力強。雙光子顯微鏡investigator成像平臺倒置雙光子顯微鏡啟用顯微鏡自帶調(diào)焦設(shè)備。

美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所在JaneliaFarmResearchCampus的吉娜博士小組與來自中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室的王琛博士較近成功將一種新的自適應(yīng)光學(xué)的方法和雙光子顯微鏡結(jié)合，研制出一種新的自適應(yīng)光學(xué)雙光子熒光顯微鏡。通過校正小鼠大腦的像差，在視覺皮層的不同深度處均獲得了提高數(shù)倍的成像分辨率和信號強度，明顯改進了成像質(zhì)量，使得原來在鼠腦中不可見或者模糊的細節(jié)變得清晰可見，她們成功將該方法應(yīng)用于老鼠視覺皮層第五層（約500μm）的形貌結(jié)構(gòu)成像和鈣離子功能成像。這一新的自適應(yīng)光學(xué)方法，使得在小鼠深層區(qū)域成像中獲得近衍射極限的成像分辨率成為現(xiàn)實。這一成果發(fā)表在較新一期的《NatureMethods》。

使用雙光子顯微鏡可以以亞細胞分辨率對鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器成像，從而測量不透明大腦深處的活動；成像膜電壓變化能直接反映神經(jīng)元活動，但神經(jīng)元活動的速度對于常規(guī)的2PM來說太快。目前電壓成像主要通過寬場顯微鏡實現(xiàn)，但它的空間分辨率較差并且只是于淺層深度。因此要在不透明的大腦中以高空間分辨率對膜電壓變化進行成像，需要較提高2PM的成像速率。FACED模塊輸出處的子脈沖序列可以看作從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成了一個空間上分離且時間延遲的焦點陣列。然后將該模塊并入具有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雙光子熒光顯微鏡中，如圖2所示。光源是具有1MHz重復(fù)頻率的920nm的激光器，通過FACED模塊可產(chǎn)生80個脈沖焦點，其脈沖時間間隔為2ns。這些焦點是虛擬源的圖像，虛擬源越遠，物鏡處的光束尺寸越大，焦點越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡，從而導(dǎo)致x軸的橫向分辨率為0.82μm，y軸的橫向分辨率為0.35μm。顯微成像技術(shù)包含：雙光子顯微鏡、寬場熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡、全內(nèi)反射熒光顯微鏡等多種成像方式。

像差問題一直困擾著光學(xué)領(lǐng)域的工作者。像差會使光波前發(fā)生形變，不僅降低成像的信噪比和分辨率，使得很多時候我們只能“霧里看花”，更甚者，產(chǎn)生贗像，或無法獲得有意義的圖像。像差問題對雙光子成像的影響尤為嚴(yán)重，因為在那里，熒光信號對入射光強度的依賴是平方關(guān)系，一旦入射光波前形變，不僅聚焦強度大幅下降，成像分辨率也急劇惡化。因此，如何解決像差問題，實現(xiàn)，例如小鼠大腦皮層，深層區(qū)域的高質(zhì)量成像成為光學(xué)成像發(fā)展中相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的問題之一。雙光子顯微鏡還可以對一些具有特性的染料細胞進行實驗，還有一些短波長可以利用雙光子特性進行特定實驗。美國激光熒光雙光子顯微鏡商家

雙光子顯微鏡的原理是什么？國外2PPLUS雙光子顯微鏡光刺激

目前，腦科學(xué)的研究在全球范圍內(nèi)如火如荼，中國的腦計劃也即將啟動。其中，全景式分析腦連接圖和功能動態(tài)圖的研究成為重點研究方向，如何打破尺度壁壘，將微觀神經(jīng)元和突觸的信息處理和個體行為信息與全腦融合，是該領(lǐng)域亟待解決的關(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，北京大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子系、工程學(xué)院和中國人民醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成的跨學(xué)科團隊在NatureMethods上在線發(fā)表了一篇題為《大視場、多平面、長程腦成像的微型雙光子拷貝》的文章。本文報道了第二代小型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0。其成像視場是團隊2017年發(fā)布的第1代小型化顯微鏡的7.8倍。同時具有三維成像能力，獲得了小鼠自由運動行為時大腦三維區(qū)域數(shù)千個神經(jīng)元清晰穩(wěn)定的動態(tài)功能圖像，實現(xiàn)了對同一批次神經(jīng)元一個月的跟蹤記錄。國外2PPLUS雙光子顯微鏡光刺激