神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域長期面臨視野深度不可兼得的困境：傳統(tǒng)雙光子顯微鏡視野大但止步于淺層皮層；三光子雖能深入腦區(qū)，視野卻被壓縮至微米級?？的螤柎髮W(xué)與波士頓大學(xué)團隊在Nature Methods發(fā)表突破性研究《A large field-of-view, single-cell-resolution two-and three-photon microscope for deep and wide imaging》，推出DEEPscope顯微鏡。該技術(shù)以 3.5毫米直徑視野穿透小鼠大腦1毫米深，同步記錄4523個神經(jīng)元活動，首次實現(xiàn)“全景深腦成像” 。

核心突破者：Aaron T. Mok（康奈爾大學(xué)）、Tianyu Wang（波士頓大學(xué)）、Chris Xu（康奈爾大學(xué)）。

重要發(fā)現(xiàn)
01深腦大視野成像 
實驗設(shè)計：
對轉(zhuǎn)基因小鼠（表達(dá)GCaMP6s鈣指示劑）進行活體成像，結(jié)合1320nm三光子激發(fā)與自適應(yīng)光路優(yōu)化。

關(guān)鍵結(jié)果：
在1048微米深度（小鼠海馬區(qū)）實現(xiàn)3.23×3.23mm2視野成像（圖2），相當(dāng)全腦切片80%面積。

軸向分辨率達(dá)5微米，清晰分辨皮層L6層神經(jīng)元胞體及海馬CA1區(qū)軸突（圖2b）。

對比突破：傳統(tǒng)三光子視野僅0.04mm2，DEEPscope擴大80倍。

02 活體神經(jīng)元動態(tài)追蹤
  實驗場景 ： 清醒小鼠皮層L6層（600μm深）鈣信號記錄，結(jié)合自適應(yīng)激光規(guī)避血管陰影。
性能數(shù)據(jù) ： 917個神經(jīng)元同步記錄：4Hz幀率捕捉自發(fā)鈣瞬變（圖3b），信噪比（d'）達(dá)2.3。

激光功率降低47%（224mW→119mW），規(guī)避熱損傷風(fēng)險。

技術(shù)意義：首次在厘米級視野實現(xiàn)千細(xì)胞級深腦活動解析。

03 雙、三光子聯(lián)用成像

技術(shù)核心：
時空復(fù)用技術(shù)同步驅(qū)動920nm雙光子與1320nm三光子光束（圖5a）。

顛覆性成果：
6焦平面同步掃描：淺層（320–400μm）雙光子以2.2Hz體速率成像，深層（600μm）三光子以11Hz幀率掃描。

總計4523個神經(jīng)元活動同步記錄，覆蓋全皮層縱深。

應(yīng)用價值：為跨腦區(qū)神經(jīng)環(huán)路研究提供動態(tài)全景地圖。

04 跨物種全腦成像驗證

實驗對象：
成年斑馬魚（全腦表達(dá)H2B-GCaMP6s），穿透頭骨掃描。

成像能力：深度1090微米，視野3.23mm，解析端腦、小腦區(qū)細(xì)胞核（圖6）。首次實現(xiàn)脊椎動物全腦無創(chuàng)三維渲染，單層耗時≤1.7分鐘。

創(chuàng)新與亮點
01自適應(yīng)光路系統(tǒng)
血管陰影實時規(guī)避（圖1c）：預(yù)掃描定位血管，成像中動態(tài)屏蔽對應(yīng)區(qū)域激光。
功耗降低53%：在119mW安全功率下激發(fā)深層信號，突破熱損傷限制。

02 雙脈沖分束引擎
20ns延遲雙光束 （圖1d）：將三光子脈沖重復(fù)率從2MHz等效提升至4MHz。
多邊形振鏡掃描 ：42°光學(xué)偏轉(zhuǎn)角+6kHz線速，幀率較傳統(tǒng)振鏡提升6倍。

03 模塊化平民設(shè)計  
即插即用組件 ：自適應(yīng)模塊、分束延遲環(huán)等可集成于常規(guī)顯微鏡。
成本與空間優(yōu)化 ：占地僅0.8m2，成本不足商用高端設(shè)備1/3。

總結(jié)與展望
DEEPscope通過自適應(yīng)光路、脈沖分束、多邊形振鏡三大革新，首次統(tǒng)一深腦成像的“深度”與“廣度”。其3.5mm視野下單細(xì)胞分辨能力，已在小鼠皮層、海馬及斑馬魚全腦驗證價值，為神經(jīng)疾病機制研究提供全新工具。

未來進化方向：
光源升級：更高能激光支持8光束并行，幀率可突破30Hz。
探針協(xié)同：結(jié)合jGCaMP8s鈣指示劑（信號強度提升4倍），實現(xiàn)毫秒級神經(jīng)沖動解析。
無創(chuàng)拓展：整合顱骨透明窗技術(shù)，避免開顱手術(shù)，推動阿爾茨海默病等長期動態(tài)研究。

如同為大腦裝上廣角哈勃望遠(yuǎn)鏡，DEEPscope正帶領(lǐng)人類駛向神經(jīng)宇宙的暗物質(zhì)區(qū)。這項技術(shù)不僅將重塑腦科學(xué)工具鏈，更為癲癇、帕金森等疾病的精準(zhǔn)干預(yù)點燃曙光。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Mok, A.T., Wang, T., Zhao, S. et al. A large field-of-view, single-cell-resolution two- and three-photon microscope for deep and wide imaging. eLight 4, 20 (2024).

https://doi.org/10.1186/s43593-024-00076-4