超宽视场下单细胞分辨率成像技术大规模神经环路研究
2026-04-17 来源:本站 点击次数:20本文介绍了一款全新的超宽场深层自适应双光子显微成像系统ULTRA，可在超过50mm²的超大视场范围内实现单细胞分辨率成像，能对小鼠大脑皮层从浅层到900μm深度的结构与神经元活动进行跨尺度在体观测，覆盖体积达45.24mm³，突破了传统双光子显微成像在视场、分辨率与成像深度上的固有局限，为大规模神经环路研究提供了全新工具。
该成果由Mengke Yang、Zhen-Qiao Zhou、Song Lang、Hanqing Zheng、Shuai Chen等学者联合完成，论文题为Ultra-wide-field, deep, adaptive two-photon microscopy for multi-scale neuronal imaging，于2026年4月在线发表于Light:Science&Applications期刊。
重要发现
01核心技术突破：光学系统协同优化与像差全局校正
传统双光子显微系统受Smith-Helmholtz不变性制约，视场扩大必然伴随数值孔径与分辨率下降，同时色差、场曲、像散等问题会随视场增大急剧恶化，难以同时满足宽场、高分辨与深层成像需求。本研究构建了一套协同激发与收集的光学方案，定制研发8mm视场、0.5数值孔径、2mm工作距离的水浸物镜，针对近红外波段专门优化，并将物镜与筒镜作为整体联合设计，有效抑制初级与次级光谱，实现全视场近衍射极限的复消色差性能。系统集成高速自适应光学模块，通过变形镜实时校正视场边缘波前畸变，显著提升边缘区域激发质量；同时搭载定制化大面阵光电倍增管，有效扩大信号动态范围，大幅提升深层组织荧光收集效率与信噪比，从光学通路、像差校正、信号探测三方面破解传统瓶颈。
研究采用0.5μm荧光微球对系统空间分辨率进行全面表征，将8mm直径视场按径向分为中心区域与三个同心环带，在45°间隔下多点测试。结果显示，视场中心横向分辨率约1.05μm，轴向分辨率约10.88μm；即便在接近视场边缘的3.99mm半径位置，横向分辨率仍可保持在1.36μm左右，轴向分辨率约13.06μm。在900–1000μm深度范围内，系统横向分辨率依然稳定在1.2μm左右，轴向分辨率约11.70μm，全程满足在体单细胞结构分辨的核心需求，空间带宽积突破5.03×10⁷，为大尺度成像提供了可靠的分辨率保障。
03在体结构成像：皮层精细结构与脑血管跨区域观测
研究通过多组在体实验验证成像实用性，在GAD67-GFP转基因小鼠上，借助8毫米颅窗完成全皮层GABA能中间神经元成像，全视场范围内均可清晰分辨神经元胞体。在Thy1-GFP小鼠中，成功分辨皮层145μm深度处的单个树突棘，并在1.65×1.65×0.9mm³体积内完成层状结构成像，实现同一树突棘连续5天稳定追踪，验证长期在体成像的稳定性。对小鼠脑血管进行跨脑区成像时，可同步观测跨度超过5.9mm的四个皮层区域，成像深度达870μm，精准量化血管直径、长度、密度与间距等参数，为皮层血管结构研究提供高效手段。
04在体功能成像：清醒动物跨尺度神经元钙信号解析
在清醒小鼠上开展神经元钙成像实验，使用GCaMP6s与GCaMP6f荧光指示剂，在4×4mm²视场下同步记录双侧大脑半球第二层、第三层共计10026个神经元活动，信号信噪比达5.09±1.05。在2×7mm²超大视场下，以300mW激光功率连续成像1小时，未出现光漂白与组织损伤，稳定捕捉神经元群体动态变化。系统支持灵活切换成像模式，可对四个独立区域分别以7.07Hz与16.67Hz速率采集，在519μm深层仍能保持5.52±1.35的高信噪比。基于成像数据构建神经元功能网络发现，小鼠运动状态下，区域内与区域间神经元连接数量显著增加，功能连接强度大幅提升，神经耦合范围扩展至全脑尺度。
05最终研究结论：多尺度神经成像的突破性平台
ULTRA系统首次同时实现直径8mm超宽视场、单细胞级别分辨率与近900μm成像深度，是目前国际上唯一能兼顾三大性能的双光子显微成像平台，成像视场面积、穿透深度与观测体积均超越现有主流宽场双光子系统。系统横向分辨率约1μm，足以满足绝大多数在体神经成像实验需求，可稳定用于皮层结构观测、长期示踪、跨脑区功能网络解析等研究，真正打通介观尺度系统神经科学与深层细胞成像之间的技术壁垒。
创新与亮点
本研究突破传统双光子显微三大核心难题：视场与分辨率相互制约、深层组织像差难以校正、探测动态范围不足。通过物镜与筒镜联合优化、自适应光学实时像差校正、大面阵高动态探测器集成三项关键技术，首次实现超宽场、高分辨率、深层穿透三者协同。在神经科学中可同步观测数万神经元跨脑区活动，在生物医学中可实现皮层精细结构与脑血管长期在体研究，为脑功能机制解析、神经疾病模型构建提供全新工具，填补了多尺度、跨区域、深层生物成像的技术空白。
总结与展望
ULTRA系统以创新光学设计打破传统成像瓶颈，实现超宽场、高分辨、深层穿透的双光子成像，为大规模神经环路研究提供强大平台。未来可通过新增扫描光路提升成像速度，延长工作距离适配更大哺乳动物模型，进一步拓展在脑科学与生物医学成像中的应用，推动大范围神经元活动观测成为常规研究手段。
声明：本文仅用作学术目的。
Yang M, Zhou ZQ, Lang S, Zheng H, Chen S, Li T, Stas E, Yu J, Zhang L, Zhang Z, Uzungil V, Liu Q, Huang Y, Lyu J, Li Y, Jia H, Li M, Li X, Li J, Tang Y, Gong Y, Schultz SR. Ultra-wide-field, deep, adaptive two-photon microscopy for multi-scale neuronal imaging. Light Sci Appl. 2026 Apr 13;15(1):198.
DOI:10.1038/s41377-026-02252-2.