长顺抖音推广公司：底细什么样的显微镜，不妨拍摄到植物年夜脑？

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引荐有关文集：2023-04-27 14:58 究竟甚么样的显微镜，也许拍摄到动物大脑？NaturePortfolio©存眷

本文来自微信大众号：，原题目《显微镜里的“拇指密斯”，深度拍摄活泼动物大脑》，作家：Cassandra Willyard，题图来自：《奇特森林》

正在自身开垦的显微镜下看到蓝绿交织、目眩撩乱的脑细胞时，有那么一霎时宗伟健觉得势弗成当。“我有种觉得，假设乐成开垦了（这种显微镜），就没甚么做没有到的。”他说。

这个霎时产生于前年三月，它值得召集一次测验室且自聚会，还须要一场祝贺会。宗伟健是灵丘抖音seo挪威科维理系统神经迷信争论所的光学工程师，正在向共事揭示最新数据前，他换上了白衬衫、打了领带。他说这便是细河抖音seo他“玩物变器械”的时辰。

这个“玩物”是萨尔图抖音seo拇指巨细的双光子荧光显微镜。它能照亮并纪录活体构造，其再现深度是传统荧光显微镜没法到达的。Mini2P仅重2.4克，可贴于小鼠头部，并能追踪多少百以至上千个神经元正在动物跑步、匍匐、从平台腾跃时的震动[1]。宗伟健以及共事正在小鼠大脑的视觉区、记忆区、导航区都测试了这一设施，对于细胞的探测最深达半毫米。

Mini2P是一种双光子显微镜，很小很轻，能戴正在动物头上。图源：宗伟健/科维理系统神经迷信争论所

它的定制镜片能对于统一群细胞延续追踪长达一小时，或正在数周里屡次追踪。这种显微镜配上定制镜片，比头戴式单光子“微型”显微镜（现阶段自在震动的动物体外成像的开始进本领）孕育的图像尤其认识，而且能拍摄细胞的数目也没有比它少。Fritjof Helmchen是物理学家诞生，现为苏黎世大学的神经迷信家。据他所说，Mini2P所到达的区分率跟大型台式双光子系统“多少乎一律优厚”。而且Mini2P依然开源的，部件表以及熏陶视频GitHub都可猎取。昨年12月，有16位争论人员每人支拨5500欧元（5370美元，席卷部件用度），投身科维理争论所主办的三日处事坊，组装自身的双光子迷你显微镜。

Mini2P使宗伟健所以荣获本年的Tycho Jæger奖，该奖项由挪威物理学会及Jæger基金会独特创造——“为容易到多少乎弗成能的迷信课题，翻开了一扇解开谜题的大门”，神经迷信家Denise Cai说，她任事于纽约西奈山伊坎医学院。而这一结果履历了多年的研发。

荧光显微镜的根底原理很简捷：分子接收能量后变为电唆使态；分子“放松”时就会发出光泽。大多显微镜都如许妄图，让单光子光能就足以引发上述反应。但这个正在较厚构造里就孕育了课题：光泽经过细胞层时会被接收、被分别。双光子显微镜运用多个较长波长的光子避免了这个课题，这些光子能更深地穿透构造（须要双光子的缘由是单个较长波长的光子没有具备渊博的能量唆使分子）。不过双光子系统很粗笨，还须要异常的光源以及镜片。争论人员一经研讨了二十多年，想把双光子本领收缩到轻量袖珍的设施里，能用于自在震动的动物。

Helmchen是一名早期先驱人物。他做博士后争论员的地点以后称为贝尔测验室，是位于新泽西的一家研发公司。Helmchen以及共事创造了第一台便携式双光子显微镜。他们正在200后天3晚上1年报道了自身的概念验证性安设——2米长柔性系索将超快脉冲激光器连贯到一个25克的显微镜上，也许安正在大鼠头上[2]。

这一妄图首次说明，便携式双光子微型显微镜，能纪录从单个神经元分叉突起处（即树突）释放的钙记号（神经震动的视觉符号）——但仅限于麻醉后、头流动的大鼠。纪录历程也异常噜苏。争论人员须要手工给细胞注射钙敏锐染料，每次一个，等细胞亮起来之后，再把显微镜戴到大鼠头上，然后找到这个细胞，再实验拍摄视频。团队正在多少个月内仅乐成拍摄了七个神经元，Helmchen说，每次测验只可拍摄单个细胞。

又过了八年之久，能再现自在震动动物钙记号的头戴式双光子显微镜才问世。2009年，德国争论人员开垦了一套重5.5g的便携系统，能一次追踪至多20个神经元。他们拍摄的是大鼠正在半圆形场合上跑动时其视皮层神经元的图像[3]，神经元内有大度的钙示踪剂。但这样的妄图没能取得太大存眷，Helmchen说，全体缘由是系统太繁复。

单光子的乐成

宗伟健其时正在北京大学读工程学本科二年级，争论激光方向。不过他真正想做的——“最终妄想”，他说——是“领会当然”。他正在2012年师从生物医学工程师程悠闲，结束自身的博士争论。程悠闲的测验室正在北京大学，研产生物争论用的荧光显微镜本领。

到了这个时分，单光子微型显微镜结束遍及。设施分量轻、机能牢靠，足可用于很是活泼的小鼠，还能同时拍摄上千个细胞，让争论人员能解读齐全的神经收集，而没有是一丁点细胞。这些设施也也许检测GCaMP6，这种超敏锐钙感化器创造于最早的双光子雏形问世之后。单光子显微镜已用于追踪多种动物动作，席卷空间记忆、讴歌发声以及就寝等，这种显微镜“一经博得辽阔乐成”，Helmchen评介道。

Inscopix是一家加州生物本领公司，据公司首席商务官Martin Verhoef说，从2011年起，公司一经出售了约1500台单光子微型显微镜，送往650多个测验室，运用这项本领宣布的文章“逾越220篇”。分歧配置的设施代价正在50000–150000美元之间。

其他开源的挑选有加州大学洛杉矶分校（UCLA）的单光子微型显微镜，GitHub上配有其设施阐明、配套软件、组装指南。批量洽购零件用度约为500美元，DIY套装为1200美元。组装好的UCLA微型显微镜约2000美元，可购自柏林LabMaker公司以及里斯本Open Ephys Production Site等公司。

Mini2P设施可纪录单个小鼠身上300个网格细胞。图源：W. Zong et al.， Cell (CC BY 4.0)

UCLA微型显微镜从创造并颁布后的十多年内（现为第四代），寰球约有500个测验室用过该设施，神经迷信家Peyman Golshani说，他正在UCLA的测验室帮忙开垦了这个设施。例如说，争论人员已把它利用于争论编码跨时记忆的神经元。

即使机能卓越，单光子微型显微镜常常的拍摄深度没有逾越多少百微米，而且所以失去的荧光图像会失焦、迷糊。这对于海马区等脑区普通没有成课题，这些地点只要小全体细胞亚群正在放电，因而细胞琐屑，足可正在迷糊图像中判别进去，Edvard Moser说。他以及May-Britt Moser独特引导系统神经迷信科维理争论所。

但这种区分率给Moser测验室带来了一个课题。这边的争论人员争论网格细胞——一种专任保存位置、决绝、方向信息的神经元。发明网格细胞的这项结果，让两位Moser共享了2014年诺贝尔生理学或医学奖。不过单光子显微镜“没有足以”成像网格细胞，M今天1早上ay-Britt Moser说，“必需得有双光子系统的区分率。”

微型显微镜单干

这时宗伟健呈现了。2015年，他是程悠闲团队的一员，这个团队取得了一笔援助用于开垦新式设施，实验贯串单光子微型显微镜的轻量以及大型台式双光子系统的亚细胞区分率。

2017年，他们报道了一种加紧、高区分、袖珍双光子显微镜，这台设施能天生一小时的录相，纪录神经细胞细小突起（也叫树突）的神经震动[4]。显微镜的区分率多少乎同于大型台式双光子系统。

争论人员用了一种定制的光子晶体纤维——一致于电信范畴用来传送信息的加紧短光脉冲。这种纤维能传送920纳米的激光脉冲，这个波长能唆使GCaMP6。（双光子微型显微镜早期妄图传送的是800nm波长光，仅限用于较没有敏锐的钙感化器。）团队推广了一个小物镜，比起点妄图的区分力更高，用一个定制的扫描曲射镜来进步设施摄影速率。最终的设施能拍摄活泼小鼠的大脑震动，小到神经突触（神经元之间的连贯）水平。

据Edvard Moser说，这种微型显微镜“一经是一次革命性掘起”。“它展现出真的能正在迁徙动物身上以高区分率以及高牢靠性拍摄细胞。”他说。“人们深为振动”——尤为是他自身。

Edvard Moser第一次见到宗伟健，是正在2017年10月北京野外的一次学术聚会上。Moser看到了双光子微型显微镜的潜力，他很高兴，设计行程观察程悠闲的测验室。宗伟健去接送Moser。

两小时车程中的聊天中，Moser领会到更多对于双光子微型显微镜的实质。“显微镜区分率良好，分量也挺没有错。”他说。不过这种微型显微镜视野太小（130 × 130微米），只可拍摄多少十个细胞——对付Moser以及共事所需来讲太少了。“细胞太少就查看没有到（神经放电）模式了。”他说。比拟之下，商业台式双光子显微镜能拍摄面积逾越一平方毫米。

但这一初代设施相对付往昔的双光子头戴式妄图是一次辽阔前进，Moser说。仅仅须要“再多一点点就能派上用场”。

25张陆续视野的分解图，再现了2种厚度的共10000个细胞（蓝色，100μm；紫白色，140μm）。图源：W. Zong et al./Cell (CC BY 4.0)

六个月后，宗伟健搬到挪威，参加科维理争论所。正在这边，他也许连续开垦双光子微型显微镜，自愿用上这项本领的生物学家们向他供给各类提议以及帮忙。Moser测验室花了二十多年争论空间导航——即动物正在迁徙中追踪位置以及方向改革的才略。这项繁复的动作受网格细胞收集调控，能正在动物正在封闭空间寻路时有纪律地拆开放电。但要注释这些专任神经元若何彼此和好，须要对于自在震动的动物施行提防的反省。

昨年，宗伟健以及他正在中国的共事报道了他们的第二代微型显微镜[5]，视野扩张、处事决绝加长，能让争论人员扫描多个立体，成像体积达420 × 420 × 180微米。第二代设施很牢靠，恐怕陆续数周正在统一脑区纪录神经震动。

不过机能选拔也有价值。显微镜变重了，绳子变硬了，这就会限制小鼠震动的自在度，May-Britt Moser说。还有便是，该妄图内有一个电调变焦镜头，它正在争论人员左右迁徙设施时温度会上升。低温会导致视觉位移，进而改革细胞正在视野中的位置。“这对于神经迷信家便是场劫难，由于这样你没法查看统一细胞的万古间震动了。”Edvard Moser说。

正在特隆赫姆，宗伟健发明了另一款变焦镜头TLens，由挪威光学本领公司poLight建造。

TLens为智高手机以及智高手表相机妄图，大概也顺应双光子微型显微镜，宗伟健说。它又小又快，并且受益于其全面分歧的光功率调治体制，它的热牢靠性更好。TLens只须要两处保养。第一处，宗伟健以及福州逐日光电科技单干，改换TLens的光学涂层让它能兼容双光子激光波长。第二处，poLight的迷信家创造了一叠四个可调透镜来扩充光学视距，并把它整合到新的微型显微镜上[1]。

TLens配合让Mini2P能多立体拍摄，理论上孕育了大块构造的图像。这把争论人员纪录神经元的数目进步到千个——一致于单光子显微镜能纪录的数目。Helmchen说这是一次“远大前进”。主要的是，微型透镜以及更软的系绳让小鼠能震动没有受限——比拟2021年时较为粗笨的妄图是个枢纽选拔。

“（Mini2P）的论文很好地核明，新一代微型显微镜纪录的小鼠动作一致于没戴显微镜。”Yaniv Ziv说。他是以色列魏茨曼迷信争论所的神经迷信家。“它也是令人叹息并且对于测验很是主要的结果，能正在尤其凑近当然的状态下，正在小鼠较猛烈静止时还能维持视野牢靠。”

明天2下午

Ziv是参加科维理争论所12月处事坊、自身组装Mini2P的16名争论人员之一。他的测验室用的是单光子显微镜，争论万古记忆正在海马区编码的办法，不过争论人员没法区分深层以及浅层的细胞。他说，Mini2P大概能乐成完结单光子微型显微镜没法消失的实质。另一名处事坊投身者，美国国立卫生争论院（NIH）神经迷信家Yi Gu，争论的是大脑编码空间信息的办法，用的是台式双光子显微镜纪录细胞，小鼠头部是流动的，沿着假造的线性路线导航。不过这个测验的设施没法纪录定向神经元这样的细胞，这种细胞能感知头部位置以及静止改变。Gu指望Mini2P能支柱她告竣这些测验，让自在震动的小鼠正在可靠境况中导航。

繁复设施

其他争论人员也正在寻求更好的微型双光子显微镜。八月，就正在科维理团队报道了Mini2P多少个月后，由Golshani引导的另一独立团队取得了四百万美元的经费，由NIH的“运用先辈改革神经本领施行大脑争论讨论（BRAIN）”援助，用于开垦两种新式双光子微型显微镜：一是视野800 × 800 µm的小鼠显微镜——视野多少乎是Mini2P的两倍，可媲美于台式双光子设施；其它一个设施，将来会让争论人员正在大鼠以及较大动物身上同时拍摄多个大脑层。而宗伟健说，正在他这儿，他以及共事“特定会连续开垦Mini2P，让它更广、更快、更深”。

更容易的全体大概是社群经受。对付开源器械开垦者来讲，让系统维持牢靠，让没有是显微镜各人的人也能上手组装以及维修，这两点稀奇有寻衅性，Ziv说。双光子显微镜尤为如许。这种设施要求能天生超加紧（一纳秒的百绝顶之一量级）、高功率光脉冲激光器，造价达20万美元。“标价就让良多争论团队望而却步。”Cai说。双光子系统也比单光子设施繁复许多，因而构建以及利用Mini2P都须要大度的本领专科学识。

而正在特隆赫姆，Mini2P的开垦处事仍正在延续。有了3个版本。“处事仅仅刚结束。”宗伟健说，“本领一旦宣布过便是旧本领了。”

参照文献：

1.Zong， W.et al.Cell185， 1240–1256 (2022).

2. Helmchen， F.， Fee， M. S.， Tank， D. W. Denk， W.Neuron31， 903–912 (2001).

3. Sawingski， J.et al.Proc. Natl Acad. Sci. USA106， 19557–19662 (2009).

4. Zong， W.et al.Nature Methods14， 713–719 (2017).

5. Zong， W.et al.Nature Methods18， 46–49 (2021).

原文以Thumb-sized microscope captures images deep inside the brains of active animals为题目宣布正在2022年10月25日《当然》的本领特写版块上© nature doi:10.1038/d41586-022-03395-z

本文来自微信大众号：，作家：Cassandra Willyard

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