Gần đây, Đại học Bắc Kinh Trình Hòa Bình, Vương Ái Dân đội phối hợp với Đại học Khoa học và Công nghệ Thông tin Bắc Kinh Ngô Nhuận Long đội, phát triển thành công đa màu thu nhỏ hai photon kính hiển vi (FHIRM-TPM 3.0), thực hiện nhiều màu sắc, sâu não, xuyên quy mô thần kinh hình ảnh của chuột hoạt động tự do, cung cấp công cụ mới để giải mã phức tạp não chức năng cơ chế. Nghiên cứu "A versatile miniature two-photo microscope enabling multicolor deep-brain imaging" được công bố trên tạp chí Nature Methods.

Ảnh chụp màn hình online

Mười năm mài kiếm, chế tạo vũ khí sắc bén khoa học não bộ đời thứ tư

Bộ não là "vũ trụ nhỏ" phức tạp và tinh tế nhất trong tự nhiên, bao gồm hàng chục tỷ tế bào thần kinh hoạt động cùng với hàng trăm nghìn tỷ khớp thần kinh. Làm thế nào để nắm bắt chính xác những thay đổi động lực trong hoạt động của tế bào thần kinh và khớp thần kinh trong các sinh vật hoạt động tự do là một vấn đề cốt lõi trong nghiên cứu khoa học não.

Năm 2014, Viện sĩ Trình Hòa Bình dẫn đầu dự án trang thiết bị thiết bị dụng cụ quan trọng quốc gia "Hệ thống hình ảnh siêu nhỏ hóa hai photon trong thể chất phân biệt thời gian siêu cao", trải qua hơn 10 năm hoàn thành 4 lần lặp đi lặp lại kỹ thuật:

01 Phương pháp tự nhiên, 2017

Năm 2017, thế hệ đầu tiên của kính hiển vi hai photon thu nhỏ 2,2g đã được phát triển để đạt được hình ảnh chức năng rõ ràng và ổn định của các khớp thần kinh ở chuột hoạt động tự do lần đầu tiên.

02 Phương pháp tự nhiên, 2021

Hệ thống thế hệ thứ hai vào năm 2021 mở rộng tầm nhìn lên 7,8 lần và có khả năng chụp ảnh ba chiều.

03 Phương pháp tự nhiên, 2023

Hệ thống thế hệ thứ ba vào năm 2023 áp dụng nguyên lý hình ảnh huỳnh quang ba photon để thực hiện quan sát không can thiệp vào vùng ngựa trong đầu sâu.

04 Phương pháp tự nhiên, 2025

Thế hệ mới của kính hiển vi hai photon thu nhỏ đã đạt được những tiến bộ quan trọng đồng thời theo ba hướng kích thích đa màu, quan sát não sâu và hình ảnh quy mô chéo.

Hoạt động não ba màu trực tiếp

Trước đây, sợi quang tinh thể photon rỗng chỉ hỗ trợ truyền laser ở một bước sóng duy nhất, hạn chế khả năng chụp ảnh đa màu. Nhóm nghiên cứu đã phát triển sợi quang rỗng phản cộng hưởng siêu rộng 700-1060 nanomet để đạt được truyền laser xung đa sóng dài femto giây với tổn thất thấp, phân tán thấp và tổn thất uốn thấp. Trong các nghiên cứu trên chuột mô hình bệnh Alzheimer, hình ảnh đồng bộ ba màu của tín hiệu canxi thần kinh, tín hiệu canxi ty thể (bào quan) và sự lắng đọng mảng amyloid trong não đã thu được và phát hiện ra những bất thường về động lực canxi ty thể trong giai đoạn đầu của bệnh.

Video 1. Hình ảnh tái tạo 3D của tín hiệu canxi tế bào thần kinh chuột mô hình Alzheimer (màu đỏ), tín hiệu canxi ty thể (màu xanh lá cây) với mảng amyloid (màu xanh)

Hình ảnh não sâu: nhìn xuyên qua vỏ não 850 micron

Thông qua thiết kế quang học chính xác để thực hiện quang sai màu, hiệu chỉnh quang sai và tối ưu hóa thiết kế hệ thống quang học, hệ thống thế hệ mới đã thu được tín hiệu canxi thần kinh và hình ảnh cấu trúc ở độ sâu hơn 850 micron trong vỏ não chuột, tăng hơn ba lần độ sâu hình ảnh kính hiển vi hai photon thu nhỏ trước đây.

Video 2. Thy1-YFPH biến đổi gen vỏ não 854 micron sâu hình ảnh 3D tái tạo

Chuyển đổi trường nhìn: Đạt được hình ảnh quy mô chéo

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế ba đối tượng tiêu cự đồng đều có thể chuyển đổi nhanh chóng với độ phân giải cao, hiệu suất cao và trường nhìn lớn, cho phép chuyển đổi liền mạch giữa quan sát trường nhìn lớn và hình ảnh tinh tế có độ phân giải cao, cho phép hình ảnh trên quy mô 10 lần từ micron đến milimet.

Video 3. (trái) Đầu dò độ phân giải cao FHIRM-TPM 3.0 đạt được tái tạo hình ảnh hai màu của các tế bào thần kinh (màu đỏ) của vỏ não vận động với sự phân bố không gian của ty thể (màu xanh lá cây) trong các tế bào thần kinh; Đầu dò trường nhìn lớn FHIRM-TPM 3.0 cho phép hình ảnh 450 tế bào thần kinh trong vỏ não trước trán của chuột hoạt động tự do

Nhóm nghiên cứu

Tác giả đầu tiên của luận văn này là giáo sư Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Thông tin Bắc Kinh Ngô Nhuận Long (đương nhiệm Phó nghiên cứu viên Học viện Kỹ thuật tương lai Đại học Bắc Kinh), trợ lý nghiên cứu viên Học viện Kỹ thuật tương lai Đại học Bắc Kinh Triệu Xuân Trúc, nghiên cứu sinh Tiến sĩ Khâu San; Tác giả thông tin chung là Trình Hòa Bình, Vương Ái Dân và Ngô Nhuận Long, Đại học Khoa học và Công nghệ Thông tin Bắc Kinh. Dự án nhận được sự hỗ trợ kinh phí của các dự án quan trọng như sáng tạo khoa học - kỹ thuật 2030 - nghiên cứu não, Ủy ban Cơ sở Khoa học tự nhiên quốc gia, chuyên môn nghiên cứu chế tạo thiết bị nghiên cứu khoa học quan trọng quốc gia, chương trình nghiên cứu phát triển trọng điểm của Bộ Khoa học và Công nghệ.

[Tài liệu tham khảo]

Vũ, R., Zhao, C., Qiu, S.Khác. Một kính hiển vi hai photon thu nhỏ linh hoạt cho phép chụp ảnh não sâu đa màu.Nat Methods (năm 2025).https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6