Recentemente, a equipe de Cheng Peace da Universidade de Pequim e Wang Aimin, juntamente com a equipe de Wu Runlong da Universidade de Ciências da Informação de Pequim, desenvolveram com sucesso o microscópio bicolor multicromático miniaturizado (FHIRM-TPM 3.0) para realizar neuroimagens multicromáticas, cerebrais profundos e em escala em ratos livremente ativos, fornecendo novas ferramentas para decodificar mecanismos funcionais cerebrais complexos. O artigo de pesquisa “A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging” foi publicado online na Nature Methods e foi apresentado no mesmo período do Research Briefing.

Captura de tela do artigo

Dez anos de espada para criar quatro gerações de "instrumentos de ciência cerebral"

O cérebro é o "pequeno universo" mais sofisticado da natureza, com dezenas de bilhões de neurônios e centenas de trilhões de sinapses. Como capturar com precisão as mudanças dinâmicas nos neurônios e na atividade sináptica em organismos livremente ativos é um dos principais desafios da ciência cerebral.

Em 2014, o acadêmico Cheng Peace liderou o grande projeto nacional de equipamento de instrumentos "Ultra-alta resolução espacial de microfotões duplos no sistema de microimagem microscópica", que durou mais de uma década para concluir quatro iterações técnicas:

01 Métodos da natureza, 2017

A primeira geração de microscópios bifotônicos miniaturizados de 2,2 gramas foi desenvolvida em 2017, permitindo, pela primeira vez, uma imagem funcional clara e estável das sinapsis de ratos livremente ativos.

02 Métodos da natureza, 2021

Em 2021, o sistema de segunda geração expande o campo de visão 7,8 vezes e tem capacidade de imagem 3D.

03 Métodos da natureza, 2023

Em 2023, o sistema de terceira geração adotou o princípio de imagem fluorescente de três fotões para realizar observações sem intervenção na região do hipocámpulo profundo.

04 Métodos da natureza, 2025

A nova geração de microscópios bifotônicos miniaturizados fez avanços significativos simultaneamente nas três direções de estimulação multicolorida, observação cerebral profunda e imagem em escala transversal.

Tricolor atividade cerebral ao vivo

Anteriormente, a fibra óptica de cristal fótonico oco suportava apenas a transmissão a laser de um único comprimento de onda, limitando a capacidade de imagem multicolorida. A equipe desenvolveu uma fibra óptica anti-ressonante de banda ultralarga de 700-1060 nanometros para a transmissão a laser de pulso de múltiplos comprimentos de onda de fesssegundos com baixa perda, baixa dispersão e baixa perda de curvatura. Em um estudo em ratos do modelo da doença de Alzheimer, foram obtidas imagens sincronizadas tricolores do sinal de cálcio neurônico, do sinal de cálcio mitocondrial e do depoimento de placas amilóides no cérebro e foram detectadas anormalidades dinâmicas do cálcio mitocondrial no início da doença.

Vídeo 1. Imagem de reconstrução tridimensional do sinal de cálcio neurônico do rato do modelo de Alzheimer (vermelho), sinal de cálcio mitocondrial (verde) e placa amiloide (azul)

Imagem cerebral profunda: córtex de 850 microns em perspectiva

Através de um design óptico de precisão para corrigir a diferença de cor, a diferença de esfera em todo o sistema e otimizar o design do sistema óptico, a nova geração de sistemas obteve imagens estruturais e de sinais de cálcio neurônicos a mais de 850 micrômetros de profundidade na córtex cerebral de camundongos, mais de três vezes maior profundidade do que a imagem de microscópio bifotônico miniaturizado anterior.

Vídeo 2.Thy1-YFPH geneticamente modificado ratos córtex cerebral 854 microns profundidade reconstrução de imagem 3D

Alteração de campo de visão: imagens em escala cruzada

A equipe projetou três objetivos confocais de alta resolução, alto desempenho e grande campo de visão, que permitem uma conversão perfeita entre a observação de grande campo de visão e imagens finas de alta resolução, permitindo imagens em escala de 100 micrômetros a 10 milímetros.

Vídeo 3. (esquerda) Sonda de alta resolução FHIRM-TPM 3.0 para reconstruir imagens bicolores de distribuição espacial de neurônios da córtex mótor (vermelho) e mitocondrias dentro dos neurônios (verde); FHIRM-TPM 3.0 permite imagem de 450 neurônios da córtex pré-frontal de ratos livremente ativos

Equipe de Pesquisa

Os co-primeiros autores do artigo são Wu Runlong, professor da Universidade de Ciências da Informação de Pequim (então pesquisador associado especial da Faculdade de Tecnologia do Futuro da Universidade de Pequim), Zhao Chunzhou, pesquisador assistente da Faculdade de Tecnologia do Futuro da Universidade de Pequim e Qiushan, estudante de doutorado; Os autores da comunicação são Peking University Cheng Peace, Wang Aimin e Wu Runlong, da Universidade de Ciências da Informação de Pequim. O projeto recebeu apoio financeiro do grande projeto Ciência e Inovação Tecnológica 2030 - "Ciência do Cerebro e Pesquisa Cerebroide", do Fundo Nacional de Ciências Naturais, do Projeto Especial Nacional de Desenvolvimento de Instrumentos de Pesquisa Científica e do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento do Ministério da Ciência e Tecnologia.

[Referência]

Wu, R., Zhao, C., Qiu, S.e outrosUm microscópio de dois fotões em miniatura versátil que permite a imagem multicolorida do cérebro profundo.Métodos Nat (2025).https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6