このほど、北京大学程和平、王愛民チームは北京情報科学技術大学呉潤龍チームと共同で、多色マイクロ化二光子顕微鏡（FHIRM-TPM 3.0）の開発に成功し、自由に活動するマウスにおける多色、深脳、スケールを超えた神経イメージングを実現し、複雑な脳機能メカニズムを復号するための新しいツールを提供した。関連研究論文「A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging」がNature Methodsオンラインで発表され、同期Research Briefing推論を得た。

論文のオンラインスクリーンショット

10年剣を磨き、4世代の「脳科学的利器」を作る

脳は自然界で最も複雑で精巧な「小宇宙」であり、数百億ニューロンと数百兆ニューラルシナプスが協同で動作する。どのように自由に活動する生命体の中でニューロンとシナプス活動の動的変化を正確に捉えるかは、脳科学研究の核心的な難題である。

2014年、程平和院士は国家重大計器装備プロジェクト「超高時空分解微小化二光子の体顕微イメージングシステム」をリードし、10年以上かけて4回の技術反復を完成した：

01 自然 方法, 2017

2017年に第1世代2.2グラムマイクロ化二光子顕微鏡を開発し、初めて自由活動マウスの神経シナプスの鮮明で安定した機能イメージングを実現した。

02 自然 方法, 2021

2021年の第2世代システムは視野を7.8倍に拡大し、3次元イメージング能力を備えている。

03 自然 方法, 2023

2023年に第3世代システムは三光子蛍光イメージング原理を採用し、深頭の馬区の無介入観測を実現した。

04 自然 方法, 2025

次世代微細化二光子顕微鏡は多色励起、深脳観測とスケールを超えたイメージングの3つの方向で同時に重要な進展を遂げた。

三色生中継脳活動

これまで中空フォトニック結晶ファイバは単一波長のレーザ伝送のみをサポートしており、多色イメージング能力を制限していた。チームは700-1060ナノメートル超広帯域反共振中空ファイバを開発し、低損失、低分散、低曲げ損失の多波長フェムト秒パルスレーザー伝送を実現した。アルツハイマー病モデルマウスの研究では、ニューロンカルシウム信号、ミトコンドリア（細胞器）カルシウム信号及び大脳アミロイドプラーク堆積の三色同期イメージングを得て、疾病早期のミトコンドリアカルシウム動力学異常を発見した。

動画1.アルツハイマー病モデルマウスニューロンカルシウム信号（赤）、ミトコンドリアカルシウム信号（緑）とデンプン様プラーク（青）の3次元再構成画像

深脳イメージング：850ミクロン皮質の透視

精密光学設計を通じて全系に色収差、球面収差補正を行い、光学系設計を最適化し、新世代システムはマウス大脳皮質で850ミクロンを超える深さのニューロンカルシウム信号と構造イメージングを取得し、これまでの微細化二光子顕微鏡イメージングより3倍以上深さが向上した。

動画2.Thy 1-YFPHトランスジェニックマウス大脳皮質854ミクロン深さ三次元イメージング再構築

視野切り替え：スケーリングイメージングを実現する

チームは高分解能、高性能、大視野の3種類の高速切り替え可能な斉焦点対物レンズを設計し、大視野観測と高分解能微細イメージングのシームレスな変換を実現し、100ミクロンからミリまで10倍のスケールにまたがるイメージングを実現した。

動画3.（左）FHIRM-TPM 3.0高分解能プローブは運動皮質のニューロン（赤色）とニューロン内ミトコンドリアの空間分布（緑）二色イメージング再構築を実現し、（右）FHIRM-TPM 3.0大視野プローブ自由活動マウス前頭葉皮質450ニューロンのイメージングを実現

研究チーム

同論文の共同第1著者は北京情報科学技術大学の呉潤龍教授（当時北京大学未来技術学院特別招聘副研究員）、北京大学未来技術学院の趙春竹補佐研究員、博士大学院生の邱珊氏、共同通信の著者は北京大学程平和、王愛民と北京情報科学技術大学呉潤龍である。プロジェクトは科学技術革新2030-「脳科学と類脳研究」の重大プロジェクト、国家自然科学基金委員会、国家重大科学研究機器開発特別プロジェクト、科学技術部重点研究開発計画などの経費の支持を得た。

【参考文献】

ウ、R、Zhao、C、Qiu、S。等。多色深脳画像を可能にする多用途のミニチュア2光子多光子多光子鏡。Nat Methods（2025年）。https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6