复合超透镜微型化双光子显微镜解锁幼小动物自由行为大脑成像新方法
2025-12-22 来源:本站 点击次数:41近日，北京信息科技大学吴润龙教授团队联合哈尔滨工业大学肖淑敏教授团队、北京大学王爱民副教授团队和北京航空航天大学冯丽爽教授团队，成功研制出第二代复合超透镜微型化双光子显微镜（Meta-m2PM 2.0），首次实现超透镜微型化双光子显微镜自由行为小鼠神经元高信噪比成像。相关结果表明，超透镜不再只是实验室概念，而已能支撑高质量、动物自然行为条件下的脑功能成像，助力生物医学影像发展。研究论文《Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals》在《PhotoniX》（5年平均影响因子19.3）在线发表。
论文上线截图
微型化双光子显微镜已成为脑科学研究中，解析自由行为状态下动物大脑神经元活动的重要工具。当前，高性能微型化双光子显微镜已实现高时空分辨率、大视场、多色成像等突破 [1-3]。然而，已有的高性能微型化双光子显微镜仍面临“鱼和熊掌不可兼得”的难题——难以兼顾高成像性能与探头的进一步轻量化：其重量普遍大于2g（如FHIRM-TPM重2.15g [1]、FHIRM-TPM 2.0重2.45g [2]、FHIRM-TPM 3.0重2.6g [3]、UCLA 2P Miniscope重约4g [4]），因此，难以应用到重量敏感的小型动物如鸣鸟、蝙蝠、幼鼠以及小动物的多脑区观测中。
超透镜技术为突破这一瓶颈提供了可能，其凭借超轻薄、高数值孔径、可灵活设计像差校正等优势，为微型化显微镜光学系统提供了新思路。但此前基于单一超透镜设计的微型化双光子显微镜，难以解决视场受限、轴外像差大的问题，极大地限制了其实际应用。
项目团队设计了“二次成像”的复合超透镜架构（图1a, b），将扫描与聚焦功能解耦，打破了传统微型化成像架构在重量、视场和分辨率之间的平衡枷锁，为自由活动动物的多脑区成像提供新方法。
图1 Meta-m2PM 2.0的结构与设计：(a) 实现两级成像系统的复合超构透镜架构示意图。D为入射激光束直径；MEMS为微机电系统；FOVimage为焦平面处的视场；fscan为扫描透镜的焦距；α为MEMS倾斜角；θ为MEMS双轴扫描角。(b) Meta-m2PM 2.0探头组件的外形与光路示意。HC-920为用于920 nm传输的空芯光纤；SFB为柔性光纤束
联合团队进一步设计了应用于双光子的偏振不敏感的高深宽比Si3N4元胞库，通过双层超透镜物镜与大角度超透镜扫描镜的协同设计(图2a, b），实现 920nm 激发光与500-560nm荧光收集的双波段优化，使得物镜重量降低至传统微型化物镜的十分之一，探头重量仅1.06g（图2c, d）。新一代复合超透镜微型化双光子显微镜实现了多项突破：视场扩大至 350×330 µm2，较第一代提升 50 倍以上；中心横向分辨率达1.17µm，即便在视场边缘也能保持80%以上的分辨率；并且，研究团队清晰捕捉到活体小鼠的精细轴突结构和深度210µm处的神经元长时间活动成像（图2e）。
联合团队进一步设计了应用于双光子的偏振不敏感的高深宽比Si3N4元胞库，通过双层超透镜物镜与大角度超透镜扫描镜的协同设计(图2a, b），实现 920nm 激发光与500-560nm荧光收集的双波段优化，使得物镜重量降低至传统微型化物镜的十分之一，探头重量仅1.06g（图2c, d）。新一代复合超透镜微型化双光子显微镜实现了多项突破：视场扩大至 350×330 µm2，较第一代提升 50 倍以上；中心横向分辨率达1.17µm，即便在视场边缘也能保持80%以上的分辨率；并且，研究团队清晰捕捉到活体小鼠的精细轴突结构和深度210µm处的神经元长时间活动成像（图2e）。
图2 超透镜制备与探头性能测试：(a) 单个元胞的示意图。H为高度 (1,500nm)；L为长度 (90–350nm)；P为周期 (400nm)。(b) 制备的超构透镜的扫描电子显微镜图像：(i) 正视图；(ii) 中心区域；(iii) 边缘区域。(c) 超透镜物镜（MO，重0.05 g）与 FHIRM-TPM 3.0-U物镜（3.0-U，重0.5 g）照片。(d) Meta-m2PM 2.0探头组件照片。(e) 左图：头部固定的Thy1-YFPH转基因小鼠在154 μm深度处M1皮层的结构成像。右图：在210 μm深度处，表达GCaMP6f 的小鼠M1皮层神经元钙成像
在自由行为小鼠脑成像实验中，研究团队稳定追踪百余个神经元的钙活动，实现了信噪比达7.6，且可长期追踪同一批神经元（图3 a-c）。得益于1.06g 的超轻探头设计，相比过去的微型化双光子显微镜，Meta-m2PM 2.0的惯性效应大幅降低，稳定性提升：在短期稳定性测试中90%的视场位移小于5 µm，跨天长期观测时位移不超过10 µm（图3d, e）。
在自由行为小鼠脑成像实验中，研究团队稳定追踪百余个神经元的钙活动，实现了信噪比达7.6，且可长期追踪同一批神经元（图3 a-c）。得益于1.06g 的超轻探头设计，相比过去的微型化双光子显微镜，Meta-m2PM 2.0的惯性效应大幅降低，稳定性提升：在短期稳定性测试中90%的视场位移小于5 µm，跨天长期观测时位移不超过10 µm（图3d, e）。
图3应用Meta-m2PM 2.0自由活动小鼠的钙成像：(a) 左：佩戴Meta-m2PM 2.0小鼠的照片；右：12分钟小鼠运动轨迹。(b) 左：在自由活动小鼠M1皮层190μm深度图像；右：122个神经元的分割图。(c) 12分钟记录期间神经元钙瞬变的信噪比（SNR）。 (d) 不同天数对M1皮层相同视场进行成像，圆圈标示在不同实验中重复识别到的部分相同神经元。(e) 成像的短期与长期稳定性。左：三只小鼠在开放场自由探索条件下进行的8次实验（每次>600s）中，x与 y方向视场位移的短期稳定性分析；右：对应于(d)中实验的长期视场位移
该研究成果通过将复合超透镜技术与微型化双光子显微成像技术深度融合，成功同时实现超轻重量、大视场、深层皮层与高分辨率的突破。将超透镜技术进一步实用化，首次实现超透镜微型化双光子显微镜自由行为动物大脑功能成像。
未来，超透镜技术研究将进一步拓展至自由行为多色成像、多脑区同步观测、跨物种（蝙蝠、鸟类、幼年啮齿类）研究等神经网络解析中，有望在脑认知原理解析、脑疾病早期诊断、神经药物评估等领域发挥重要作用。
该论文第一作者为北京航空航天大学与北京信息科技大学联合培养的郝泽宇和哈尔滨工业大学（深圳）张尧；共同通讯作者为北京信息科技大学吴润龙教授、哈尔滨工业大学肖淑敏教授、北京大学王爱民副教授。吴润龙教授负责研究项目的整体构思，主导核心光学系统的设计与搭建；肖淑敏教授指导超透镜的设计与优化；王爱民教授为生物成像实验提供了关键技术支持。本项目获得 2030 “脑科学与类脑研究” 重大项目、生物医学成像北京实验室、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、深圳市基础研究项目等经费支持。
【原文链接】
Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals. PhotoniX 6, 57 (2025). https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y
【参考文献】
1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, et al. Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice. Nat Methods. 2017;14(7):713–9.
2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, et al. Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging. Nat Methods. 2021;18(1):46–9.
3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q, et al. A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging. Nat Methods. 2025;22:1935-1943.
4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Open-source, high performance miniature 2-photon microscopy systems for freely behaving animals. Nat Commun. 2025;16(1):7125.
该研究成果通过将复合超透镜技术与微型化双光子显微成像技术深度融合，成功同时实现超轻重量、大视场、深层皮层与高分辨率的突破。将超透镜技术进一步实用化，首次实现超透镜微型化双光子显微镜自由行为动物大脑功能成像。
未来，超透镜技术研究将进一步拓展至自由行为多色成像、多脑区同步观测、跨物种（蝙蝠、鸟类、幼年啮齿类）研究等神经网络解析中，有望在脑认知原理解析、脑疾病早期诊断、神经药物评估等领域发挥重要作用。
该论文第一作者为北京航空航天大学与北京信息科技大学联合培养的郝泽宇和哈尔滨工业大学（深圳）张尧；共同通讯作者为北京信息科技大学吴润龙教授、哈尔滨工业大学肖淑敏教授、北京大学王爱民副教授。吴润龙教授负责研究项目的整体构思，主导核心光学系统的设计与搭建；肖淑敏教授指导超透镜的设计与优化；王爱民教授为生物成像实验提供了关键技术支持。本项目获得 2030 “脑科学与类脑研究” 重大项目、生物医学成像北京实验室、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、深圳市基础研究项目等经费支持。
【原文链接】
Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals. PhotoniX 6, 57 (2025). https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y
【参考文献】
1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, et al. Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice. Nat Methods. 2017;14(7):713–9.
2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, et al. Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging. Nat Methods. 2021;18(1):46–9.
3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q, et al. A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging. Nat Methods. 2025;22:1935-1943.
4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Open-source, high performance miniature 2-photon microscopy systems for freely behaving animals. Nat Commun. 2025;16(1):7125.
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