飞秒激光双光子显微成像仪器

脑的大多数功能是通过神经回路来实现的，但目前神经回路中所发生的并行分布式信息加工与处理过程尚缺乏有效的研究手段。双光子激发显微成像技术具有高穿透深度、高空间分辨和低光毒性，适合在亚细胞水平上研究神经元群落。目前双光子显微镜的随机扫描速率慢于1毫秒/像素，难以测量快速编码信号。2008年获教育部技术发明一等奖项目"飞秒激光快速随机扫描双光子显微成像装置"利用声光偏转器做扫描器，随机扫描速度为0.01毫秒/像素，可以满足快信号探测的需求。本项目拟将快速声光扫描与常规双光子显微镜中采用的振镜扫描相结合，研制复合功能的飞秒激光双光子显微成像仪器，既具备快速随机扫描探测快速功能信号的优点，又具备常规双光子显微镜高空间分辨结构成像的优点。这一仪器将为神经回路高分辨成像、脑功能机制研究提供强有力的工具和平台，也将在其它生命活动基本过程观测、疾病致病机理研究、新药研发等多个研究领域发挥重要作用。

本项目已经完成目标仪器的研制。包括研制了大视场的声光扫描器件，设计扫描箱光机系统，编写了系统控制软件，并进行了系统的整机装配与调试，实现了声光器件与振镜的双扫描功能，完成了演示性的动物实验等。仪器初步实现了商品仪器所没有的一些功能，如针对快速信号解析，实现“翻译”功能，将钙信号翻译成电信号；针对光遗传学应用的高时空光遗传刺激功能；针对脑回路成像的大尺度样品高分辨成像功能，为生命科学研究提供了新的手段。本项目发展的核心技术具有自主知识产权，项目执行期间授权中国国家发明专利3项，美国专利1项，另还有3项专利进入实审。实验样机已在上海神经科学研究所、北京生命科学研究所、浙江大学、中科院深圳先进研究院、第三军医大学、美国德州大学休斯顿健康医学中心等六个单位的8个研究小组用于合作研究。仪器研究论文发表于Review of Scientific Instruments、Optics Express、Journal of Biomedical Optics等仪器，光学与生物医学光学领域的重要期刊，利用这一仪器与应用单位合作建立方法的论文发表于PLoS One等期刊，发表相关SCI收录论文9篇，其中标注资助论文7篇。项目执行期间培养博士5人，其中1人入选全国优博提名。本项目部分内容支撑负责人获2010年度国家自然科学二等奖（排名第三）。仪器主要应用《全脑尺度神经环路功能连接的高通量高分辨成像新技术》获批2012年国家自然科学基金“情感与记忆”重大研究计划重点项目。