▲ 小鼠佩戴微型化三光子显微镜实景图 | 图自北京大学未来技术学院网站。下同

据介绍，海马体位于皮层和胼胝体下面，在短期记忆到长期记忆的巩固、空间记忆和情绪编码等方面起重要作用。在啮齿类动物研究模型中，海马距离脑表面深度大于一个毫米。由于大脑组织，特别是胼胝体，具有对光的高散射光学特性，所以突破成像深度极限是长期以来困扰神经科学家的一个极大的挑战。此前的微型单光子及微型多光子显微镜均无法实现穿透全皮层直接对海马区进行无损成像。

从北京大学未来技术学院网站获悉，此次北京大学最新的微型化三光子显微镜一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限：显微镜激发光路可以穿透整个小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马 CA1 亚区的直接观测记录，神经元钙信号最大成像深度可达 1.2 mm，血管成像深度可达 1.4 mm。另外，在光毒性方面，全皮层钙信号成像仅需要几个毫瓦，海马钙信号成像仅需要 20 至 50 毫瓦，大大低于组织损伤的安全阈值。因此，该款微型三光子显微镜可以长时间不间断连续观测神经元功能活动，而不产生明显的光漂白与光损伤。

▲微型三光子显微成像记录小鼠大脑皮层 L1-L6 和海马 CA1 的结构和功能动态

这一突破得益于全新的光学构型设计。作者通过对皮层、白质和海马体建立分层散射模型进行仿真，发现荧光信号从深层组织到达脑表面时已经处于随机散射的状态，使得显微物镜荧光收集效率降低，从而极大限制了成像深度。针对这一问题，经典阿贝聚光镜结构被引入构型设计中：微型阿贝聚光镜与简化的无限远物镜密接可以提高散射光的通透效率；阿贝聚光镜与激发光路中的微型管镜部分复用，可以进一步简化结构，降低损耗。总体上，新微型化显微镜的散射荧光收集效率实现了成倍的提升。

同时，利用微型三光子显微镜，作者研究了小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆这一感觉运动过程中的编码机制：发现大约 37% 的神经元在抓取动作之前就开始活跃且在抓取时最活跃，大约 5.6% 的神经元在抓取动作之后开始活跃，说明不同神经元参与了不同阶段的编码。这一结果初步展示了微型化三光子显微镜在脑科学研究中的应用潜力。