在神经科学研究领域，实现清醒活动小鼠大脑的高分辨率成像一直是一项重大挑战。组织光学像差、散射以及动物运动伪影严重限制了成像质量。2025年10月，国际知名期刊《Nature Communications》在线发表了一项题为“Rapid adaptive optics enabling near noninvasive high-resolution brain imaging in awake behaving mice”的重要研究成果。该研究由Zhentao She、Yiming Fu、Yingzhu He、Gewei Yan、Wanjie Wu、Zhongya Qin和Jianan Qu组成的团队完成，开发了一种名为“多路复用数字焦点传感与成形”（MD-FSS）的新型快速自适应光学系统。

本研究提出了一种结合双光子显微镜（2PM）的MD-FSS技术，能够在约0.1秒内完成单次像差点扩散函数（PSF）的精确测量，有效校正深层组织中的像差和散射，从而在清醒活动小鼠脑中实现亚细胞级分辨率成像。通过薄化颅骨窗和光学透明颅骨窗这两种近乎无创的方式，研究人员成功对小鼠大脑皮层深度达600微米区域进行了高清成像，揭示了清醒与麻醉状态下小胶质细胞功能状态及微血管循环动力学的显著差异，凸显了在无创条件下研究清醒动物大脑功能的重要性。

重要发现
01核心技术原理：MD-FSS的工作机制
MD-FSS技术的核心创新在于通过多光束干涉实现快速焦点场传感，并结合数字相位解调并行测量PSF的复振幅。该系统利用声光偏转器（AOD）生成多个具有不同空间和频率偏移的弱扫描光束，使其与一束强静态光束在焦平面上发生干涉。通过多通道数字快速傅里叶变换（FFT）检测技术，系统能够在不同调制频率下解析出调制干涉信号的相位和振幅。

具体而言，每个弱扫描光束的PSF通过下行采样方式进行测量，随后通过校准相对振幅和相位偏移，将多个下行采样的PSF合并重建为完整采样的PSF。基于此重建的PSF，通过相位共轭和二维FFT计算生成校正波前，从而实现对像差和散射的精确补偿。相比传统的单光束传感与成形（SD-FSS）方法，MD-FSS将PSF测量时间从数秒缩短至约0.1秒，速度提升高达八倍，且不牺牲信噪比或校正精度。

更重要的是，在清醒活动小鼠模型中，MD-FSS展现了其独特优势。由于小鼠运动会导致成像视场内频繁快速的偏移，传统SD-FSS方法因测量时间较长，其PSF测量会受到运动伪影的严重影响，导致校正波前无法有效提升信号强度，甚至引入额外像差降低成像质量。而MD-FSS凭借其快速测量能力，能够在清醒小鼠中准确测量复杂像差PSF，显著提升荧光强度和成像分辨率。

神经元钙活动成像：在清醒小鼠的体感皮层和视觉皮层中，研究人员对表达GCaMP6s的神经元进行了钙成像。经过MD-FSS校正后，神经元胞体轮廓和侧树突清晰可辨，顶树突细节得到极大恢复。在触须刺激期间，钙瞬变信号显示出显著改善的强度，并与刺激强烈同步。利用无惯性远程聚焦模块，团队还实现了准同步多平面神经元成像，揭示了触须刺激期间顶树突与胞体之间的同步活动。

微血管血流动力学与神经血管耦合：研究还关注了微血管系统的精细结构成像。校正后，毛细血管结构清晰可辨，使得能够通过线扫描成像测量清醒小鼠脑毛细血管中的红细胞速度。统计分析表明，在同一毛细血管中，麻醉状态下的红细胞速度显著增加。同时，通过神经元活动和血管扩张的双色成像，研究揭示了在刺激期间树突神经元活动与穿透性小动脉直径之间的紧密耦合关系。在视觉刺激下，尽管神经元反应表现出强烈的方向选择性，但小动脉扩张并未显示显著的方向选择性。

创新与亮点
01突破成像速度瓶颈
MD-FSS技术的核心突破在于解决了传统自适应光学技术在清醒动物成像中的速度瓶颈问题。在清醒小鼠脑中，由于动物运动导致的引导星偏移会严重破坏波前校正所需的稳定信号。MD-FSS通过多光束并行探测和数字FFT解调，将PSF测量时间从传统方法所需的数秒缩短至约0.1秒，显著降低了对运动伪影的敏感性，为实现清醒动物高分辨率成像提供了关键技术支撑。

总结与展望
本研究开发的MD-FSS技术成功解决了在清醒活动小鼠中进行高分辨率脑成像的关键技术难题，通过快速自适应光学校正实现了近乎无创的深层组织成像。该技术不仅显著提升了成像速度和精度，更在多种生物应用场景中展现了其独特价值，为研究大脑在生理状态下的真实功能活动提供了强大工具。

展望未来，MD-FSS技术具有进一步优化的巨大潜力。当前八光束设计已实现0.1秒的PSF测量，但通过增加光束数量和应用更先进的射频驱动技术，测量速度有望进一步提升。随着硬件性能的持续改进和算法的进一步优化，该技术有望在更广泛的生物医学研究领域发挥重要作用，特别是在需要高时空分辨率的活体动态观测场景中。

DOI:10.1038/s41467-025-64251-y.