近日，yl34511线路中心吴润龙教授团队联合北京大学程和平院士、王爱民副教授团队，成功研制多色微型化双光子显微镜（FHIRM-TPM 3.0），实现在自由活动小鼠的多色、深脑、跨尺度神经成像，为解码复杂脑功能机制提供了新工具。相关研究论文《A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging》在《Nature Methods》(5年平均影响因子：51.7)在线发表（https://www.nature.com/articles/s41592-025-02780-6），获同期Research Briefing推介。

十年磨剑，打造四代“脑科学利器”

 大脑是自然界最为复杂精妙的“小宇宙”，由数百亿神经元与数百万亿神经突触协同运作。如何在自由活动的生命体中精准捕捉神经元与突触活动的动态变化，是脑科学研究的一个核心难题。

 2014年程和平院士牵头国家重大仪器装备项目“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”，历时十多年完成四次技术迭代：2017年研制第一代2.2克微型化双光子显微镜，首次实现自由活动小鼠神经突触清晰稳定的功能成像；2021年第二代系统将视野扩大了7.8倍，并具备三维成像能力；2023年第三代系统采用三光子荧光成像原理，实现深脑海马区观测；新一代微型化双光子显微镜在多色激发、深脑观测与跨尺度成像三个方向同时取得了重要进展。

三原色直播大脑活动

 此前空心光子晶体光纤仅支持单一波长的激光传输，限制了多色成像能力。团队研制出700-1060纳米超宽带反谐振空芯光纤，实现低损耗、低色散、低弯曲损耗的多波长飞秒脉冲激光传输。在阿尔茨海默病模型小鼠研究中，博士研究生邱姗获得了神经元钙信号、线粒体（细胞器）钙信号及大脑淀粉样斑块沉积的三色同步成像，并发现疾病早期的线粒体钙动力学异常。吴润龙教授形容：“这相当于在给大脑彩色直播神经元与细胞器的动态活动。”

图1（a）FHIRM-TPM 3.0三色成像示意图 （b）阿尔茨海默症模型小鼠神经元钙信号（红色）、线粒体钙信号（绿色）与淀粉样斑块（蓝色）的三维重建图像（左）与神经突层和胞体层的切面图（右）

深脑成像：透视820微米皮层

 通过精密光学设计对全系统进行色差、球差校正，并优化光学系统设计，新一代系统在小鼠大脑皮层获取到超过820微米深度的神经元钙信号与结构成像，比此前的微型化双光子显微镜成像深度提高了3倍多。

图2 Thy1-YFPH转基因小鼠大脑皮层854微米深度三维成像重建

视野切换：实现跨尺度成像

 团队设计了高分辨、高性能、大视场三款可快速切换的齐焦物镜，实现大视场观测与高分辨精细成像的无缝转换，满足跨尺度成像的研究需求。“换物镜和拧螺钉一样简单！”赵春竹博士演示时，仅用30秒便完成切换，屏幕影像从“精微特写”变为“广角全景”。

图3（a）FHIRM-TPM 3.0高分辨探头实现运动皮层的神经元（红色）与神经元内线粒体的空间分布（绿）双色成像重建（b）FHIRM-TPM 3.0大视野探头实现自由活动小鼠前额叶皮层450颗神经元的成像

 该论文第一作者、通讯作者为永利官网吴润龙教授、共同一作北京大学未来技术学院助理研究员赵春竹、博士研究生邱姗；共同通讯作者为北京大学程和平、王爱民。吴润龙教授参与本研究项目的整体构思，并主导了核心光学系统的搭建与实现。项目得到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金委、国家重大科研仪器研制专项、科技部重点研发计划等经费支持。

吴润龙教授与研究人员进行显微镜调试实验

 吴润龙老师简介

 吴润龙，获科技创新2030“脑科学与类脑研究”专项青年科学家、国家博士后创新人才、北京市“海英人才”，主持国家重点研发计划颠覆性创新课题、国家自然科学基金青年项目等项目。专注于生物医学成像新技术研究与精密仪器开发，发明了系列化微型化双光子显微成像技术，在国际上首次实现自由行为小鼠大脑神经元及神经突触的清晰稳定成像，建立起自由行为动物成像的全新范式。相关成果入选2017年度“中国科学十大进展”，被《Nature Methods》评为2018年“年度方法”——无限制行为动物成像技术，入选国家“十三五”科技创新成就展等。

 目前已在Nature Methods、Nature Cell Biology、Nature Biotechnology等顶级期刊发表论文20余篇，4篇入选ESI高被引论文（前1%），总被引次数逾千次。相关技术已实现产业转化，助力突破高端显微镜领域“卡脖子”难题，持续推动中国原创技术出海。

 Nature Methods期刊简介

《Nature Methods》是自然杂志《Nature》旗下专注于生命科学领域创新方法学的顶级期刊。该期刊以其对新技术、工具及实验方案的严谨报道和前瞻性推动而享誉学界，近5年平均影响因子达51.7，其在方法学领域具有极高的学术影响力和权威地位。

 yl34511线路中心始终以服务国家战略需求为导向，高度重视高水平科研成果的培育与产出，通过设立专项科研奖励机制、优化实验室资源配置、加强校企合作与产学研协同创新，为教师和科研团队提供坚实的平台支持。同时，学院积极推动跨学科交叉研究，鼓励团队参与国家级重大科研项目，促进国际国内合作。此次吴润龙教授团队在《自然-方法》发表的重要研究成果，充分体现了学院在生物医学仪器与脑科学交叉领域的创新成果。未来，学院将继续深化科研体制机制改革，为师生创造更优越的科研环境，助力更多原创性、突破性成果的涌现。（供稿/图片：光电学院 吴润龙 编辑：纪秦宇 审核：张日颖）