微型化顯微成像技術(shù)是解析自由活動(dòng)動(dòng)物神經(jīng)環(huán)路動(dòng)態(tài)功能的關(guān)鍵工具。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》發(fā)表的綜述《微型化顯微成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展》系統(tǒng)分析了該領(lǐng)域的技術(shù)突破與應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)雙光子顯微鏡和光纖光度法，微型化系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了在自由行為狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)程、單細(xì)胞分辨率的實(shí)時(shí)成像，為腦科學(xué)研究提供了革命性手段。文章由劉曉宇、劉紫千、斯科、龔薇等學(xué)者聯(lián)合撰寫，重點(diǎn)總結(jié)了單光子與多光子微型化系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化及神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用成果，為領(lǐng)域發(fā)展提供了重要技術(shù)路線圖。

重要發(fā)現(xiàn)
01單光子微型化系統(tǒng)的技術(shù)突破
單光子微型顯微鏡基于寬場(chǎng)熒光成像原理，通過(guò)高度集成化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化（<3g）與自由活動(dòng)兼容。核心創(chuàng)新包括：

軸向成像視場(chǎng)擴(kuò)展：
傳統(tǒng)系統(tǒng)受限于固定焦平面，新一代技術(shù)通過(guò)機(jī)械變焦（如壓電驅(qū)動(dòng)器）和光學(xué)變焦（如電濕潤(rùn)透鏡EWTL）實(shí)現(xiàn)200–500μm動(dòng)態(tài)軸向掃描。例如，InscoPIx nVista 3.0采用EWTL實(shí)現(xiàn)300μm焦距調(diào)節(jié)，而液晶透鏡（TLCL） 則通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控折射率實(shí)現(xiàn)74μm精準(zhǔn)變焦。

橫向視場(chǎng)與分辨率優(yōu)化：
大視場(chǎng)設(shè)計(jì)：中尺度顯微鏡（如mini-mScope）犧牲部分分辨率換取8mm×10mm視野，適用于皮層動(dòng)態(tài)觀測(cè)；而兼顧分辨率的設(shè)計(jì)（如CM2V2）通過(guò)計(jì)算成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)7mm視場(chǎng)與6μm分辨率。

亞細(xì)胞分辨率：定制微透鏡系統(tǒng)（如Bagramyan設(shè)計(jì)）將橫向分辨率提升至1.4μm，可清晰分辨樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)。

三維成像革新：
結(jié)合光場(chǎng)成像技術(shù)（如MiniLFM）在物鏡前加入微透鏡陣列（MLA），將2D信息重構(gòu)為3D圖像，實(shí)現(xiàn)700μm×600μm×360μm成像范圍。

02 多光子系統(tǒng)的深度與分辨率躍升
多光子微型顯微鏡利用非線性激發(fā)效應(yīng)突破散射限制，實(shí)現(xiàn)深層腦區(qū)成像：
激發(fā)光源優(yōu)化 ：采用空心光子晶體光纖（PCF） 傳導(dǎo)飛秒激光脈沖（如FHIRM-TPM系統(tǒng)），將傳輸損耗降至30%，在920nm波長(zhǎng)下高效激發(fā)GCaMP6信號(hào)。

掃描模塊微型化：MEMS掃描器（直徑0.8mm）替代傳統(tǒng)振鏡，在256×256像素下實(shí)現(xiàn)40Hz成像幀率（MINI2P系統(tǒng)），同時(shí)結(jié)合μTlens模塊擴(kuò)展軸向掃描至240μm。

穿透深度突破：三光子顯微鏡（m3PM）通過(guò)1320nm激發(fā)光穿透胼胝體，對(duì)海馬CA1區(qū)1.2mm深度的神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定成像，創(chuàng)深度紀(jì)錄。

03深部腦區(qū)成像關(guān)鍵技術(shù)
針對(duì)丘腦、下丘腦等深部核團(tuán)（深度>4mm），團(tuán)隊(duì)提出梯度折射率透鏡（GRIN）中繼技術(shù)：

棱鏡耦合GRIN透鏡將成像光路折轉(zhuǎn)90°，結(jié)合植入式探頭實(shí)現(xiàn)自由行為小鼠杏仁核神經(jīng)元鈣活動(dòng)記錄。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01攻克三大技術(shù)瓶頸
運(yùn)動(dòng)偽影消除：
線傳輸系統(tǒng)（如wScope）采用頻率調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)多動(dòng)物同步成像，打破線纜束縛；旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器（OEC）解決雙光子系統(tǒng)線纜扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，力矩靈敏度<8mN·m。

多模態(tài)融合：
光遺傳集成：MAPSI系統(tǒng)引入數(shù)字微鏡器件（DMD），生成10μm精度光斑，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞精度刺激與鈣信號(hào)同步記錄。

雙色成像：定制消色差物鏡與算法校正（DCFIMM系統(tǒng)）解決光譜串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)45fps下雙色神經(jīng)元同步追蹤。

計(jì)算成像賦能：
CM2V2系統(tǒng)通過(guò)空間變異像差校正模型（LSV），將信噪比提升1400倍，實(shí)現(xiàn)7mm×7mm×800μm大范圍三維成像。

02 應(yīng)用價(jià)值突破
神經(jīng)環(huán)路解密：在自由活動(dòng)小鼠中首次量化外側(cè)下丘腦GABA能神經(jīng)元在食欲調(diào)控中的動(dòng)態(tài)編碼網(wǎng)絡(luò)。

疾病機(jī)制研究：無(wú)線系統(tǒng)追蹤顳葉癲癇小鼠海馬神經(jīng)元重映射過(guò)程，揭示空間記憶障礙成因。

跨尺度觀測(cè)：?jiǎn)蜗到y(tǒng)兼容介觀尺度（全皮層）與微觀尺度（樹(shù)突棘）成像，推動(dòng)“成像組學(xué)”發(fā)展。

總結(jié)與展望
微型化顯微成像系統(tǒng)通過(guò)融合光學(xué)設(shè)計(jì)革新（如EWTL變焦、MEMS掃描）、材料創(chuàng)新（GRIN透鏡）及計(jì)算賦能（光場(chǎng)重構(gòu)、LSV模型），徹底突破傳統(tǒng)顯微技術(shù)在自由行為動(dòng)物成像中的深度、分辨率與運(yùn)動(dòng)兼容性限制。單光子系統(tǒng)以輕量化（<2g）和多功能集成（光遺傳、電生理）見(jiàn)長(zhǎng)，而多光子系統(tǒng)憑借非線性激發(fā)實(shí)現(xiàn)1.2mm級(jí)穿透深度與亞微米分辨率，兩者共同推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)研究進(jìn)入“自由行為+單細(xì)胞精度”時(shí)代。

未來(lái)發(fā)展方向包括：深度學(xué)習(xí)輔助的實(shí)時(shí)成像分析、活體神經(jīng)遞質(zhì)動(dòng)態(tài)可視化探針開(kāi)發(fā)，以及低成本開(kāi)源平臺(tái)推廣。隨著中國(guó)腦計(jì)劃持續(xù)推進(jìn)，微型化成像技術(shù)將為基礎(chǔ)神經(jīng)機(jī)制解析與腦疾病干預(yù)提供不可替代的工具支撐。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
劉曉宇，劉紫千，斯科，龔薇.
DOI:10.3788/LOP232709.