双光子成像技术能以单细胞至单突触分辨率观察脑皮层大量神经元活动，近年来在神经科学领域获得广泛应用。猕猴在认知行为、脑结构及功能方面都接近于人类，是人类脑疾病、视觉认知及其他高级认知功能研究理想的模式动物（Hubel and Wiesel, 1968; Gross et al., 1972; Desimone et al., 1984; Tanaka et al., 1991）。由于大动物存在脑表面组织增生严重、脑组织跳动大、基因编码探针的表达效率低等困难，清醒猴长时期的双光子成像一直未能实现，成为该领域研究的一个技术瓶颈。
北京大学生命科学学院唐世明课题组通过在猴视觉皮层显微注射腺相关病毒（AAV），转入基因编码探针，实现了清醒猴长时期双光子成像。新设计的成像窗口能有效防止颅内感染及硬脑膜增生，保持长达数月的稳定光学质量。AAV介导的基因编码探针，包括钙探针GCaMP5和GCaMP6s（Akerboom et al., 2012 ; Chen et al., 2013），可以在猴视觉皮层获得长时期高效和稳定的表达。通过改进头部固定装置以及图像移动修正，获得了稳定的图像和高质量的神经活动信号，最终在清醒猴认知行为条件下，实现了稳定时间超过6个月的双光子成像。

图1 清醒猴双光子成像 （A）通过显微注射AAV转染GCaMP5钙探针的猴初级视皮层V1荧光图像（6个月）。（B）视皮层V1一个光学切面的双光子图像，在850x850微米的视场内可观测到多达2000个神经元。（C）三维的双光子图像，可以探测600微米以上深度。
课题组还首次实现了在清醒猴双光子成像下，同时进行神经元胞内记录及单细胞电转等电生理研究及操作，证明了钙探针信号与神经元活动大范围的线性关系（10Hz-150Hz），并能实现猴脑皮层神经元稀疏转染和树突成像。

图2 双光子成像下的神经元胞内记录 （A）尖电极对一个GCaMP5转染细胞进行胞内记录。（B-D）对细胞注入电流产生神经脉冲活动，并获得钙信号。（E）钙信号与神经元发放频率在10-150Hz范围内呈线性关系。
该工作于2017年2月16日在线发表于Neuron（Long-Term Two-Photon Imaging in Awake Macaque Monkey）。北京大学生命科学中心2014级博士研究生李明为该论文第一作者，北京大学生命科学学院和麦戈文脑科学研究所唐世明研究员为该论文通讯作者。该研究得到了北大-清华生命科学联合中心、国家自然科学基金、北京市科委资助。
编辑：山石