本文介绍了一项突破性的神经血管耦合研究技术，该技术通过集成共聚焦荧光显微镜（CFM）与光声显微镜（PAM），开发出一种仅重1.7克的超轻型头戴式双模态显微镜。该系统可在自由活动的小鼠中以高达0.78赫兹的帧率和1.5微米的横向分辨率，同步捕捉神经元钙活动及脑血管的血氧饱和度、血红蛋白浓度等多参数血流动力学信息。这一技术填补了以往头戴式设备在血流功能性成像，特别是血氧监测方面的空白，为在自然行为状态下研究神经活动与血管响应的耦合机制提供了全新工具。

该研究由Ningbo Chen、Zhiqiang Xu、Zheng Song等学者共同完成，研究成果以题为“Simultaneous head-mounted imaging of neural and hemodynamic activities at high spatiotemporal resolution in freely behaving mice”的论文形式，于2025年3月在国际知名期刊《SCIENCE ADVANCES》上发表。

重要发现
01双模态成像系统的设计与性能
本研究核心为一种高度集成化的头戴式显微镜，其光学系统巧妙地将共聚焦荧光成像与光声成像融为一体。系统使用单根单模光纤传输488纳米连续波激光（用于激发GCaMP6s钙指示剂）和558/570纳米双波长脉冲激光（用于光声成像），不仅简化了光路结构，还大幅减轻了探头重量。通过高数值孔径（NA=0.5）的微型物镜和基于微机电系统（MEMS）的二维扫描镜，系统实现了400x400微米视野范围内1.5微米的高空间分辨率。其最关键创新在于采用了一个尺寸仅为0.4x0.5x0.25毫米的扁平高频超声换能器（中心频率55 MHz），无需传统的光声束组合器即实现了高灵敏度光声信号检测，从而保证了探头的轻量化与紧凑性。

创新与亮点
01突破性的技术集成难题
本研究最显著的创新在于成功解决了多年来的技术瓶颈——将高分辨率光声成像能力集成至超轻量级的头戴式设备中。传统上，实现光声/荧光双模态成像需依赖笨重的光学-声学束组合器或针式超声换能器，严重限制了其在自由移动动物中的应用。本研究通过自主研发的毫米级扁平超声换能器，彻底摒弃了传统组合器，不仅将探头总重降至1.7克，还消除了对额外检测光纤的依赖，显著提高了系统的稳定性和便携性。

02引领多模态成像进入自由行为新纪元
该技术标志着神经科学研究范式的一次重要演进。它首次使得在自由行为状态下，无创、同步地以细胞分辨率“看到”神经电活动急速变化的同时“看清”血管的血氧与结构动态成为现实。这摆脱了传统显微镜对麻醉或头部固定的依赖，避免了这些状态对神经血管活动的干扰，从而能揭示在自然行为中更真实、更全面的脑功能机制。

03为脑疾病机制研究与干预提供全新视角
该显微镜的价值远超技术本身。它提供的全新数据维度（神经元活动+血管氧代谢+血管管径）为解析多种脑疾病的病理机制打开了新窗口。例如，在癫痫研究中发现的“氧耗-血管扩张”先于“神经元爆发”的规律，不仅深化了对癫痫发生机制的理解，更可能为开发基于血流动力学信号的早期预警与干预策略提供关键依据。未来，该技术有望广泛应用于中风、偏头痛、阿尔茨海默病等神经血管耦合异常疾病的研究与新药研发中。

总结与展望
本研究成功开发并验证了一种革命性的头戴式双模态显微镜，它完美融合了共聚焦荧光显微镜与光声显微镜的技术优势，以微型化、高分辨、多参数同步采集的能力，开创了在自由行为动物中研究神经血管耦合的新纪元。透过该系统，我们得以窥见大脑在缺氧、感觉刺激、癫痫等多种状态下的精细动态变化，获得了许多以往无法企及的生物学发现。

展望未来，该技术平台仍具巨大进化潜力，例如通过集成可扩展的超声换能器阵列以扩大视野、引入Z轴扫描模块以实现三维体积成像、或结合更先进的计算成像算法来进一步提升成像速度与质量。我们坚信，这一技术将成为神经科学、生物医学工程乃至临床前研究领域的强大工具，持续推动我们对大脑奥秘的探索，最终为理解乃至攻克一系列神经疾病点亮前路。

DOI:10.1126/sciadv.adu1153.