初達成！中国の科学者に祝意を

中国の科学者が「小型三光子顕微鏡」を開発し、初めてマウスの「脳深部画像化」を実現

人間の脳には数百億個のニューロンと数兆個のシナプスが含まれています。構造と機能における極めて複雑かつ精密なつながりと相互作用は、意識と思考の出現の物質的な基盤です。脳の連結マップと機能的動的マップを分析するための研究ツールの開発は、さまざまな国の脳科学プログラムの中心的な方向性です。北京大学の程和平氏と王愛民氏の研究チームは24日、ネイチャー・メソッド誌オンライン版に最新の研究成果を発表した。重さわずか2.17グラムの小型三光子顕微鏡が大脳皮質と脳梁に直接浸透し、自由に行動するマウスの大脳皮質全体と海馬ニューロンの機能的画像化を初めて実現し、脳の深部構造における神経機構を解明する新たな研究パラダイムを切り開いた。

写真は小型の3光子顕微鏡を装着したマウス（研究チーム提供）

研究チームの一員で北京大学未来科学技術学院の博士研究員である趙春竹氏は、海馬は大脳皮質と脳梁の下にあり、記憶の固定、空間記憶、感情の符号化に重要な役割を果たしていると紹介した。しかし、脳組織、特に脳梁は光線の伝播に対して高い散乱特性を持っているため、脳梁を突破して脳深部を直接画像化することは、神経科学者が長い間直面している大きな課題でした。これまで、国際的に知られている小型多光子顕微鏡のどれも、皮質全体を貫通し、海馬の非破壊画像化を行うことはできませんでした。

新たに開発された小型三光子顕微鏡は、これまでの撮像深度限界を一挙に突破したと報告されている。顕微鏡の励起光路はマウスの大脳皮質と脳梁を貫通し、マウスの海馬CA1サブ領域を直接観察・記録することができ、神経カルシウム信号の最大撮像深度は1.2mmに達し、血管の撮像深度は1.4mmに達する。

この画像深度における画期的な進歩は、散乱蛍光の収集効率を 2 倍にした顕微鏡の新しい光学構成設計によるものです。さらに、この顕微鏡は、明らかな光退色や光損傷を引き起こすことなく、神経細胞の機能活動を長時間にわたって中断なく観察することもできます。

写真は小型の3光子顕微鏡を使用してマウスの大脳皮質と海馬CA1サブ領域の構造を画像化したもの（研究チーム提供）

北京大学国立生物医学画像科学センター所長の程和平院士は、研究チームが顕微鏡を使用して、ジェリービーンズを掴む過程におけるマウスの頭頂皮質第6層のニューロンのコーディングメカニズムを研究した結果、約37％のニューロンが掴む動作の前に活性化し、掴む動作中に最も活発になり、約5.6％のニューロンが掴む動作の後に活性化したことを発見したと述べた。

「これは、異なるニューロンがさまざまな段階でエンコードに関与していることを示しており、また、脳科学研究における小型三光子顕微鏡の応用可能性を予備的に実証しています。」程和平氏は、この画像化技術は人類が脳の謎をより深く探究し、脳の機能的接続マップを明らかにするための重要なツールを提供すると述べた。

2017年、程和平氏のチームは、自由行動中のマウスの大脳皮質のニューロンとシナプスの活動の動的な画像を撮影できる、小型二光子顕微鏡の第一世代の開発に成功しました。 2021年に研究チームが開発した第2世代の小型二光子顕微鏡は、撮影視野を7.8倍に拡大し、大脳皮質の数千個のニューロンの機能信号の3次元画像化が可能になった。