推進(jìn)我們對(duì)人腦的理解將需要對(duì)神經(jīng)回路如何在哺乳動(dòng)物（包括實(shí)驗(yàn)室小鼠）中工作的新見(jiàn)解。這些研究需要用顯微鏡監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)，顯微鏡的分辨率足夠高，就可以看到單個(gè)神經(jīng)元及其鄰居。

雙光子熒光顯微鏡顯著增強(qiáng)了研究人員做到這一點(diǎn)的能力，加州大學(xué)圣巴巴拉分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系副教授 Spencer LaVere Smith的實(shí)驗(yàn)室是推進(jìn)該技術(shù)的研究溫床。作為 NSF 資助的5年期、900萬(wàn)美元的下一代多光子神經(jīng)成像聯(lián)盟 (Nemonic) 中心的首席研究員，該中心誕生于奧巴馬總統(tǒng)的 BRAIN 計(jì)劃，總部設(shè)在 UCSB，史密斯正致力于“推動(dòng)多光子神經(jīng)影像學(xué)研究的前沿用于神經(jīng)科學(xué)研究的顯微鏡。”

在11月17日出版的《自然·通訊》上，Smith和他的合著者報(bào)告了一種新顯微鏡的開(kāi)發(fā)，他們將其描述為“用于大視場(chǎng)雙光子成像 (Diesel2p) 的雙獨(dú)立增強(qiáng)掃描引擎”。他們的雙光子顯微鏡提供了前所未有的大腦成像能力。該設(shè)備擁有任何此類(lèi)儀器中最大的視野（高達(dá)25平方毫米），使其能夠提供大腦多個(gè)區(qū)域的亞細(xì)胞分辨率。

在實(shí)驗(yàn)室中使用突破性的Diesel2p顯微鏡

“我們正在優(yōu)化三件事：看到單個(gè)神經(jīng)元的分辨率，同時(shí)捕捉多個(gè)大腦區(qū)域的視野，以及捕捉行為過(guò)程中神經(jīng)元活動(dòng)變化的成像速度，”史密斯解釋說(shuō)。“我們對(duì)成像感興趣的事件持續(xù)不到一秒鐘，所以我們沒(méi)有時(shí)間移動(dòng)顯微鏡；我們必須一次性完成所有事情，同時(shí)仍然確保光學(xué)器件可以聚焦超快激光脈沖光�！�

驅(qū)動(dòng)雙光子成像系統(tǒng)的強(qiáng)大激光器，每個(gè)成本約為 250,000美元，可提供超快、超強(qiáng)度的光脈沖，每個(gè)脈沖都比太陽(yáng)光亮 10 億多倍，持續(xù)時(shí)間為 0.0001 納秒。每秒 8000 萬(wàn)個(gè)脈沖的單個(gè)光束被分成兩個(gè)完全獨(dú)立的掃描引擎臂，使顯微鏡能夠同時(shí)掃描兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都配置為不同的成像參數(shù)。

在儀器的先前迭代中，兩個(gè)激光器被連接在一起并配置為相同的參數(shù)，這種布置強(qiáng)烈限制了采樣。最佳掃描參數(shù)（例如幀速率和掃描區(qū)域大小）因分布式神經(jīng)電路和實(shí)驗(yàn)要求而異，而新儀器允許對(duì)兩種光束使用不同的掃描參數(shù)。這種新設(shè)備結(jié)合了幾個(gè)定制設(shè)計(jì)和定制制造的元件，包括光繼電器、掃描透鏡、管透鏡和物鏡，因其能夠提供神經(jīng)活動(dòng)的高速成像而被廣泛采用在廣泛分散的大腦區(qū)域。