Recientemente, los equipos de Cheng Heping y Wang Aimin de la Universidad de pekín, junto con el equipo de Wu runlong de la Universidad de Ciencia y tecnología de la información de beijing, desarrollaron con éxito un microscopio de dos fotones en miniatura multicolor (fhirm - TPM 3.0) para realizar neuroimágenes multicolor, cerebral profunda e interescala en ratones libres, proporcionando nuevas herramientas para decodificar mecanismos funcionales cerebrales complejos. El trabajo de investigación relacionado "a Versatile Miniature two - PHOTON microcope enabling multimedia Deep - Brain imaging" fue publicado en línea en Nature Systems y fue presentado por Research Briefing en el mismo período.

Captura de pantalla de la tesis en línea

Afilar la espada durante diez años y crear cuatro generaciones de "armas afiladas de la ciencia del cerebro"

El cerebro es el "pequeño universo" más complejo y exquisito de la naturaleza, operado por decenas de miles de millones de neuronas en coordinación con cientos de billones de sinapsis nerviosas. Cómo capturar con precisión los cambios dinámicos en la actividad neuronal y sináptica en cuerpos vivos libres es un problema central en la investigación científica cerebral.

En 2014, el académico Cheng Heping dirigió el proyecto nacional de instrumentos y equipos importantes "sistema de imágenes microscópicas in situ de dos fotones en miniatura de resolución espacio - temporal súper alta", que duró más de diez años para completar cuatro iteraciones técnicas:

01 Métodos naturales, 2017

En 2017, se desarrolló la primera generación de microscopía de dos fotones miniaturizada de 2,2 gramos, y por primera vez se logró una imagen funcional clara y estable de las sinapsis nerviosas en ratones libres.

02 Métodos naturales, 2021

El sistema de segunda generación de 2021 amplía el campo de visión 7,8 veces y tiene capacidad de imagen tridimensional.

03 Métodos naturales, 2023

En 2023, el sistema de tercera generación utiliza el principio de imagen por fluorescencia de tres fotones para realizar observaciones no intervencionistas en el hipocampo del cerebro profundo.

04 Métodos naturales, 2025

La nueva generación de microscopía de dos fotones miniaturizada ha logrado avances importantes en las tres direcciones de excitación multicolor, observación del cerebro profundo e imágenes a escala cruzada.

Transmisión en vivo de la actividad cerebral tricolor

Anteriormente, la fibra de Cristal fotónico hueca solo apoyaba la transmisión láser de una sola longitud de onda, lo que limitaba la capacidad de imagen multicolor. El equipo desarrolló una fibra hueca anti - resonancia de banda ultra ancha de 700 - 1060 nanómetros para lograr la transmisión láser de pulso de femtosegundos de larga duración de múltiples ondas con baja pérdida, baja dispersión y baja pérdida de flexión. En el estudio de ratones modelo de enfermedad de alzheimer, se obtuvieron imágenes simultáneas tricolor de la señal de calcio neuronal, la señal de calcio mitocondrial (organelo celular) y la deposición de placas amiloides en el cerebro, y se encontraron anomalías en la dinámica del calcio mitocondrial en las primeras etapas de la enfermedad.

Video 1. imagen de reconstrucción tridimensional de la señal de calcio neuronal (rojo), la señal de calcio mitocondrial (verde) y la placa amiloide (azul) en ratones modelo de Alzheimer

Imagen del cerebro profundo: perspectiva de la corteza de 850 micras

A través de un diseño óptico de precisión para corregir la diferencia de color y la diferencia esférica de todo el sistema y optimizar el diseño del sistema óptico, la nueva generación de sistemas obtuvo señales de calcio neuronal e imágenes estructurales a más de 850 micras de profundidad en la corteza cerebral del ratón, más de tres veces más profundas que la imagen anterior de microscopía de dos fotones miniaturizada.

Video 2. reconstrucción de imágenes tridimensionales profundas de 854 micras en la corteza cerebral de ratones transgénicos thy1 - ypfh

Cambio de campo de visión: realización de imágenes a escala cruzada

El equipo diseñó tres objetivos homogéneos de alta resolución, alto rendimiento y gran campo de visión que se pueden cambiar rápidamente, logrando una conversión perfecta de la observación de gran campo de visión y la imagen fina de alta resolución, logrando una imagen de 100 micras a 10 veces la escala de un milímetro.

Video 3. (izquierda) la sonda de alta resolución fhirm - TPM 3.0 realiza la reconstrucción de imágenes bicolor (verde) de la distribución espacial de las neuronas (rojas) en la corteza motora y las mitocondrias dentro de las neuronas; (derecha) la sonda de Campo Grande fhirm - TPM 3.0 realiza imágenes de 450 neuronas en la corteza prefrontal de ratones en movimiento libre

Equipo de investigación

Los primeros autores de la tesis son Wu runlong, Profesor de la Universidad de Ciencia y tecnología de la información de Beijing (entonces Investigador asociado especial de la escuela de tecnología futura de la Universidad de pekín), Zhao chunzhu, investigador asistente de la escuela de tecnología futura de la Universidad de pekín, y Qiu shan, estudiante de doctorado. Los autores de la comunicación conjunta son Cheng heping, Wang Aimin y Wu runlong de la Universidad de Ciencia y tecnología de la información de Beijing. El proyecto cuenta con el apoyo financiero de la innovación científica y tecnológica 2030 - "investigación en Ciencias del cerebro y cerebroides", la Fundación Nacional de ciencias naturales de china, el proyecto nacional de desarrollo de instrumentos de investigación científica importantes y el plan clave de investigación y desarrollo del Ministerio de Ciencia y tecnología.

[referencias]

Wu, R., Zhao, C., Qiu, S.y otrosUn versátil microscopio de dos fotones en miniatura que permite la imagen multicolor en el cerebro profundo.Métodos Nat (2025).https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6