新陈代谢包括物质代谢和能量代谢,是细胞正常行使各项生理功能的基础,其中能量代谢是指活细胞中产生和消耗能量的生化过程的总和。代谢的异常通常会引发多种疾病。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）是一种重要的内源性辅酶和代谢标识物,在细胞内以两种方式存在:游离态和结合态。游离态NADH分布于糖酵解活跃的细胞基质中,而结合态NADH更多地参与线粒体的三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle,TCA cycle）和氧化磷酸化,因此监测游离态NADH相对水平的变化能够反映细胞代谢的差异。脑组织是生物体最重要和最复杂的组织,它的代谢成像对于了解复杂的脑功能及病理变化具有重要的意义。目前,常用的脑代谢成像方法有正电子发射断层显像、磁共振成像和功能磁共振成像等,它们在脑代谢相关疾病的临床诊断上扮演着重要的角色,然而这些方法的分辨率相对较低且需要外源标记,所以探索高分辨、低损伤、高灵敏度的光学成像方法尤为重要。双光子荧光寿命成像技术是一种通过检测细胞内自发荧光物质NADH的结合态和游离态的比例来反映细胞代谢状态的高分辨光学成像方法,这种方法使用双光子激发光源有效降低了对样品的损伤,同时荧光寿命对荧光基团周围的环境非常灵敏,且检测不受激发光强度、测量方法及光漂白的影响,因此对双光子NADH荧光寿命成像方法的进一步发展是非常有必要的。另外,在临床中,对病变组织的病理研究和疾病程度的评估通常涉及手术取样、化学固定和冷冻切片的过程,为了充分利用来自临床的大量化学固定组织切片样本,在小鼠深层脑核团进行代谢成像,我们自主搭建了一台适合脑切片代谢成像的双光子荧光寿命成像平台,并对平台进行了仪器性能参数的优化,通过性能检测证明成像平台XY轴和Z轴分辨率分别可达200nm、500nm,荧光寿命检测尺度达到0.1 ns,成像分辨率可达1μm以下的水平。随后使用此平台对不同样品的荧光寿命进行测试,验证了其在高分辨水平上进行脑代谢成像的潜力。另外,我们在样品制备、成像方式及数据的处理上进行了深入的优化,建立了小鼠深层脑核团代谢成像的方法。同时,应用此平台对小鼠固定脑切片的同一核团相邻区域、同一核团不同深度及同一脑片不同核团进行了代谢成像,实验结果数据稳定、重复性好,不仅说明了小鼠同一脑核团的代谢水平相似、不同核团代谢水平可能存在明显差异,而且证明了应用自主搭建的平台对小鼠固定脑切片进行代谢成像的可行性。视交叉上核（SCN）是哺乳动物中与生物钟有关的脑核团,它的代谢水平在昼夜间的变化有待进一步的探究。应用高分辨率的双光子荧光寿命成像方法来探究SCN在昼夜间的代谢变化是一个非常好的思路,但是目前在活体水平上利用双光子荧光寿命成像技术对脑组织的代谢检测仅限于表层区域,无法实现深层脑核团的代谢成像。因此,我们利用自主搭建的双光子荧光成像平台对小鼠深层脑核团SCN的化学固定脑切片进行了不同时间点的代谢成像,发现SCN的代谢水平存在昼夜振荡的现象,表现出夜间相对于白天,游离态的NADH水平相对较高,平均荧光寿命相对较低。结合高分辨率拟合分析和免疫荧光染色,进一步针对SCN核团中两种主要的细胞类型AVP-神经元细胞和GFAP-胶质细胞的昼夜代谢差异进行深入的探究,证明了这两种主要细胞类型的代谢倾向和NADH与蛋白结合的状态在SCN核团昼夜代谢振荡中的重要作用。利用自主搭建的双光子荧光寿命成像平台可以充分利用来自临床的大量样本,实现脑深层核团的代谢成像,更重要的是,这项工作的结果揭示了 AVP-神经元细胞和GFAP-胶质细胞的代谢特性和NADH结合蛋白的状态在SCN核团昼夜代谢振荡中的重要作用,为探索脑组织深层区域的代谢成像提供了一种高分辨率、高灵敏度和免标记的方法,不仅可以辅助分析传统的临床代谢成像结果,还可以提供更多细胞甚至亚细胞级别的代谢细节信息,并为复杂的脑细胞分类及探究节律紊乱引发的脑代谢相关疾病的发生和发展提供了新的思路。