研究人员开发出一种双光子显微镜 可提供前所未有的脑成像能力

Smith 致力于确保对仪器的开放访问。早在这篇新论文发表之前，他和他的合著者就发布了一份预印本，其中包括复制它所需的工程细节。他们还与波士顿大学的同事分享了这项技术，在那里 Jerry Chen 实验室的研究人员已经进行了修改以适合他们自己的实验。

“这令人兴奋，”史密斯说。“他们不必像我们一样从头开始。他们可以建立在我们的工作基础上。Jerry 的论文与我们的论文背靠背发表，INSS 和 CoSys 两家公司已经销售了基于我们设计的系统。由于没有专利，将来也不会，这项技术可供所有人免费使用和修改，但他们认为合适。”

双光子显微镜是一种特殊类型的荧光显微镜。为了在史密斯的实验室中进行这样的工作，研究人员对小鼠进行基因工程，使其神经元包含神经元活动的荧光指示剂。该指示剂是通过将来自水母的荧光蛋白和存在于自然界中的钙结合蛋白结合制成的。该方法利用了神经元在放电时经历的短暂的数量级钙增加。当激光指向神经元时，神经元开始放电，钙进入，蛋白质找到钙，并最终发出荧光。

双光子成像通过采用光子的量子行为来防止产生大量的离焦荧光，从而增强了荧光显微镜检查。在普通光学显微镜中，来自用于激发样品的光源的光以一种方式进入样品，产生一个垂直光锥，缩小到目标焦点区域，然后在该点下方产生一个倒锥。任何不在最窄点处的光线都是失焦的。

双光子显微镜中的光表现不同，产生一个清晰聚焦的单点光（没有光锥），消除所有散焦光到达成像镜头。史密斯解释说：“图像只显示了来自我们正在观察的那个平面的光，没有来自平面上方或下方的太多背景信号。” “大脑具有光学特性和像黄油一样的质地；它充满了脂质和水溶液，很难看透。使用正常的光学成像，你只能看到大脑的最顶部。双光子成像使我们能够图像更深，仍然达到亚细胞分辨率。”

双光子激发光的另一个优点是它使用能量更低、波长更长的光（在近红外范围内）。这种光在穿过组织时散射较少，因此可以清晰地聚焦到组织的更深处。此外，与较短波长（如紫外线）相比，较低能量的光对样品的破坏较小。

史密斯的实验室在老鼠身上进行了实验，观察老鼠在执行诸如观看视频或在虚拟现实环境中导航等任务时的大脑。每只老鼠的头骨中都植入了一个玻璃植入物，为显微镜进入其大脑提供了一个真正的窗口。

“我的动力是试图理解神经回路中的计算原理，这些原理让我们可以做一些目前无法在机器中复制的有趣事情，”他说。“我们可以制造一台机器，把很多事情做得比我们做得更好。但对于其他事情，我们做不到。我们训练青少年驾驶汽车，但自动驾驶汽车在人类无法做到的各种情况下都失败了.我们用于深度学习的系统是基于大脑的洞察力，但它们只是一些洞察力，而不是全部。它们工作得很好，但仍然很脆弱。相比之下，我可以把鼠标放在一个它从未到过的房间，它会跑到我够不到的地方。它不会撞到任何墙壁。它非常可靠地做到这一点，并以大约 1 瓦的功率运行。

“有一些有趣的计算原理我们还不能在存在于小鼠大脑中的人造机器中复制，”史密斯继续说道，“我想开始发现这一点。这就是我想建造这个显微镜的原因。”

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