在人类探索科学奥秘的征程中，最深邃、最复杂的领域不只有遥不可及的星河，还有近在咫尺的大脑。这座由数百亿神经元和数百万亿突触交织而成的“小宇宙”，如何在其自然运作的状态下被清晰观测，一直是科学家面临的巨大挑战。近日，由北京大学程和平院士与王爱民教授团队联手北京信息科技大学吴润龙教授团队所取得的突破，正为这个世界级难题提供了一把钥匙——他们成功研制出仅重2.6克的多色微型化双光子显微镜，首次实现自由活动小鼠高分辨率的深脑双光子彩色成像，为大脑打开了一扇“彩色视窗”。这项成果日前发表于国际学术期刊《自然·方法》，并获同期研究简报特别推介。
记者了解到，自2014年程和平牵头国家重大科研仪器研制项目以来，团队先后完成四次技术迭代。从2017年第一代仅重2.2克、首次实现自由活动动物突触水平成像的微型显微镜，到2021年第二代视野扩大7.8倍并实现三维成像，再到2023年第三代借助三光子成像穿透至深脑海马区——每一步都凝聚着跨学科合作的智慧与坚持。
而最新问世的第四代系统，更是在多色激发、深脑成像与多尺度观测三个维度齐头并进，实现了标志性的技术突破。其中，团队成功研制出700至1060纳米超宽带反谐振空芯光纤，一举解决了传统带隙空心光子晶体光纤仅支持单色激光的限制。这项革新使得多波长飞秒脉冲激光得以低损耗、低色散地传输，从而为同时观测多种细胞功能结构奠定了物理基础。
正如吴润龙所说：“这相当于在给大脑‘彩色直播’神经元与细胞器的动态活动。”在阿尔茨海默病模型小鼠实验中，团队成功同步捕获了神经元钙信号、线粒体钙信号和淀粉样斑块沉积的三色影像，并发现疾病早期的线粒体钙动力学异常——这不仅展示了仪器强大的功能，更体现了其在揭示神经疾病机制方面的巨大潜力。
在深脑成像方面，新一代显微镜同样实现跨越式进展。吴润龙介绍，通过精密光学设计与系统级的像差校正，团队将成像深度推进至850微米皮层区域，比此前微型双光子显微镜的深度提升了三倍以上，使得观测自由活动动物大脑深层结构中的神经活动不再是梦想。
更令人称道的，是该系统在成像尺度上的无缝切换能力。团队创新设计了三款可快速替换的齐焦物镜，分别适用于高分辨率精细成像、大视场观测和高性能信号收集。团队成员演示时仅用30秒便完成物镜更换，屏幕上实时影像即刻由“精微特写”转变为“广角全景”，真正实现了“换物镜如拧螺钉”般便捷高效的多尺度观测。
程和平说，多年来，多色荧光标记无创深脑成像能力只能在大型台式设备上实现，团队首次解决了微型化双光子显微镜多色激发成像的难题，为研究大脑复杂网络带来突破性进展。未来，该技术将在理解脑认知原理、脑疾病机制研究、神经药物评估以及脑机接口等领域具有广泛应用前景。