Vor kurzem hat das Team von Peking University Cheng Peace und Wang Aimin gemeinsam mit dem Team von Peking University of Information Technology Wu Runlong erfolgreich ein multifarbiges miniaturisiertes Doppelphotonmikroskop (FHIRM-TPM 3.0) entwickelt, um eine multifarbige, tiefe Gehirnbildgebung bei freien Mäusen zu realisieren und neue Werkzeuge zur Dekodierung komplexer Gehirnfunktionsmechanismen bereitzustellen. Das Forschungsarbeit „A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging“ wurde in Nature Methods veröffentlicht.

Screenshot der Arbeit

Zehn Jahre Schleifen des Schwertes, um vier Generationen von "Gehirnwissenschaftlichen Werkzeugen" zu bauen

Das Gehirn ist das komplexeste und feinste „kleine Universum“ der Natur, das von Milliarden von Neuronen und Hunderten von Billionen von Synapsen zusammenwirkt. Wie man die dynamischen Veränderungen in Neuronen und Synapsen in freien Lebewesen genau erfasst, ist eine zentrale Herausforderung der Hirnwissenschaftsforschung.

Im Jahr 2014 leitete Cheng Peace-Akademiker das nationale wichtige Instrumentausrüstungsprojekt "Miniaturisierte Doppelfotonen mit ultrahoher Raum-Zeit-Auflösung im Mikrobildsystem", das mehr als zehn Jahre dauerte, um vier technische Iterationen abzuschließen:

01 Naturmethoden, 2017

2017 wurde das erste miniaturisierte 2,2-Gramm-Doppelfotonmikroskop entwickelt, um erstmals eine klare und stabile funktionelle Bildgebung der neuronalen Synapsen in freien Mäusen zu ermöglichen.

02 Naturmethoden, 2021

Das System der zweiten Generation erweitert den Sichtfeld um das 7,8-fache und verfügt über dreidimensionale Bildgebung.

03 Naturmethoden, 2023

Das System der dritten Generation von 2023 verwendet das Prinzip der Drei-Photonen-Fluoreszenz-Bildgebung, um eine interventionsfreie Beobachtung der Hippocampus-Region des tiefen Gehirns zu ermöglichen.

04 Naturmethoden, 2025

Die neue Generation des miniaturisierten Doppelphotonmikroskops hat wichtige Fortschritte in den drei Richtungen der Mehrfarbigkeit, der Tiefhirnbeobachtung und der Skalenübergreifenden Bildgebung erzielt.

Dreifarbige Live Gehirnaktivität

Früher unterstützten hohle Photonenkristallfasern nur eine Laserübertragung mit einer einzigen Wellenlänge, was die Fähigkeit zur mehrfarbigen Bildgebung einschränkte. Das Team hat eine ultrabreitbandige Anti-Resonanz-Hohlfaser von 700-1060 nm entwickelt, die eine Multiwellenlänge-Fiftosekund-Pulslaserübertragung mit niedrigem Verlust, niedriger Farbdispansion und niedrigem Biegverlust ermöglicht. In der Alzheimer-Modell-Mausstudie wurden dreifarbige synchrone Abbildungen von neuronalen Kalziumsignalen, mitochondrialen (zellulären) Kalziumsignalen und der Ablagerung von amyloiden Placken im Gehirn erhalten und Anomalien in der mitochondrialen Kalziumdynamik in den frühen Stadien der Erkrankung festgestellt.

Video 1. Dreidimensionales Rekonstruktionsbild von Neuronen-Kalziumsignalen (rot), Mitochondrien-Kalziumsignalen (grün) und Amyloid-Plaques (blau) im Alzheimer-Modell

Tiefe Hirnbildgebung: 850 Mikrometer Kortex in Perspektive

Durch eine präzise optische Konstruktion zur Korrektur der Farbdifferenz, der Kugeldifferenz und der Optimierung des optischen Systemdesigns erhielt die neue Generation von Systemen eine neuronale Kalziumsignale und eine strukturelle Bildgebung in einer Tiefe von über 850 Mikrometer in der Hirnkortex von Mäusen, die mehr als dreimal so tief ist wie die bisherige Miniaturisierung durch ein Doppelphotonmikroskop.

Video 2.Thy1-YFPH genetisch veränderte Mäuse Hirnkortex 854 Mikrometer Tiefe 3D-Bildgebung Rekonstruktion

Sichtfeldwechsel: Skalenübergreifende Bildgebung

Das Team hat drei schnell wechselbare, hochauflösende, leistungsstarke, große Sichtfeldobjektive entwickelt, die eine nahtlose Umstellung von großer Sichtfeldbeobachtung und hochauflösender feiner Bildgebung ermöglichen, um eine 10-fache Skala von 100 Mikron bis Millimeter zu erzielen.

Video 3. (links) Die hochauflösende Sonde FHIRM-TPM 3.0 ermöglicht eine bifarbige Bildgebung der Neuronen der Motorkortex (rot) und der räumlichen Verteilung der Mitochondrien innerhalb der Neuronen (grün); FHIRM-TPM 3.0 ermöglicht Bildgebung von 450 Neuronen in der präfrontalen Kortex einer freien Maus

Forschungsteam

Die ersten Autoren der Arbeit waren Professor Wu Runlong von der Pekinger Universität für Informationswissenschaften und Technologie (damals Sonderwissenschaftler der Pekinger Universität für Zukunftstechnologie), Zhao Chunzhou, Assistenzforscher der Pekinger Universität für Zukunftstechnologie und Qiushan, Doktorand; Mitverfasser sind Peking University Cheng Peace, Wang Aimin und Peking University of Information Technology Wu Runlong. Das Projekt wird finanziell unterstützt durch das Großprojekt „Wissenschaft und Technologie 2030 – Gehirnwissenschaft und Gehirnähnliche Forschung“, den Nationalen Naturwissenschaftlichen Fonds, das nationale Sonderprojekt für die Entwicklung wichtiger wissenschaftlicher Instrumente und das Schwerpunktprogramm des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie.

[Referenz]

Wu, R., Zhao, C. und Qiu, S.et al.Ein vielseitiges Miniatur-Zwei-Photonen-Mikroskop, das mehrfarbige Deep-Hirn-Bildgebung ermöglicht.Nat Methoden (2025).https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6