轻量校正元件扩展深脑双光子成像视场
关键词：双光子成像；梯度折射率透镜；像差校正
微型双光子显微镜可实现自由活动动物深脑区的细胞分辨率成像，但当其与梯度折射率透镜微内窥镜配合使用时，透镜固有的光学像差会严重降低空间分辨率并压缩有效视场。本研究通过引入轻量化的微加工校正光学元件，对梯度折射率微内窥镜的像差进行主动校正，使微型双光子系统在深脑成像中获得了更高且更均匀的轴向分辨率，有效视场面积扩大超过四倍。研究团队将该校正系统应用于自由活动小鼠腹后内侧丘脑的头方向调谐细胞光学测绘，发现感觉丘脑中的头方向编码呈现空间稀疏分布特征
该研究由 Chiara Nardin、Andrea Sattin、Sebastiano Curreli 等人完成，论文题为 "Extended field-of-view two-photon imaging in the deep brain of freely behaving mice using lightweight microfabricated corrective optics"，于2026年10月发表于 Science Advances。
重要发现
01
校正光学系统的设计与集成
本研究针对梯度折射率微内窥镜的固有像差问题，设计并集成了一种轻量化的微加工校正光学元件。该校正元件通过双光子光刻技术制备，重量不足0.5 毫克，体积小于 0.5×0.5×0.07 立方毫米，可直接整合于梯度折射率微内窥镜的盖玻片顶端，无需对现有微型双光子显微镜架构进行重大改造。研究分别测试了长度为 4.1 毫米和 6.4 毫米两种规格的梯度折射率微内窥镜，两者直径均为 500 微米，数值孔径 0.5，可分别抵达脑表面以下约 3 毫米和 5 毫米深度的脑区。
02
光学性能表征与像差校正效果
研究团队从三个维度系统表征了校正前后的光学性能变化：亚分辨荧光层成像、荧光网格畸变测量、以及亚分辨荧光微球的分辨率测试。结果显示，未校正系统在视场边缘区域出现明显的轴向分辨率衰减，x-z 投影呈现弯曲形态，信号强度随径向距离增大而降低。引入校正光学元件后，荧光层的横向厚度和信号强度在整个径向范围内更为均匀，轴向分辨率在离轴位置也得到显著改善。横向分辨率在校正前后系统间差异不大，而轴向分辨率则是像差校正的主要受益方向。基于轴向分辨率阈值定义的有效视场半径计算表明，校正系统的有效视场面积较未校正系统扩大了四倍以上。对于 6.4 毫米长的内窥镜，校正效果同样成立，有效视场同样显著扩展。
03
固定脑组织切片的神经元成像验证
在固定脑切片上的成像实验显示，未校正系统中处于视场边缘的神经元结构严重畸变或几乎不可检测，而校正系统则能够分辨直至视场最边缘区域的神经元形态。这一结果与光学表征中观察到的有效视场扩大和轴向分辨率均匀化相互印证，说明像差校正带来的光学性能提升可直接转化为对生物样本中神经元结构的均匀采样能力。
04
自由活动小鼠深脑区的在体验证
研究团队将校正后的系统应用于自由行为小鼠的腹后内侧丘脑（VPM）在体成像，该脑区位于脑表面以下超过 3 毫米，此前难以在自由活动条件下实现细胞分辨率双光子成像。实验中通过病毒载体在兴奋性神经元中表达 jGCaMP7f 钙指示剂，配合 4.1 毫米长的校正微内窥镜，在小鼠进行开阔场导航任务时进行时长约 15 分钟的双光子钙成像记录。结果显示，校正系统能够对视场内均匀分布的大量神经元进行同步成像，荧光信号的峰值信噪比与细胞距视场中心的径向距离无显著相关性，表明神经元活动采样在整个视场内是均匀的。神经元对之间的荧光信号 Pearson 相关系数也与细胞间距离无关，说明像差校正有效避免了邻近发光体之间的信号串扰。此外，校正系统还能够分辨视场最边缘区域的神经元突起活动。
采用校正型梯度折射率（GRIN）微型内窥镜实现大视场 MINI2P 成像
05
感觉丘脑头方向编码的空间测绘
利用扩大视场带来的无偏采样能力，研究团队对VPM 脑区的头方向调谐神经元进行了空间位置映射。分析结果显示，约 8% 的 VPM 成像细胞对头方向具有显著调谐，调谐强度呈宽分布特征，偏好头方向在 0° 至 360° 范围内不均匀分布，调谐曲线较为宽泛。通过比较头方向调谐亚群与全部成像神经元的最近邻距离，发现头方向调谐细胞之间的中位距离显著大于全体神经元间的距离，且两两调谐细胞的偏好角度差与细胞间距离不存在相关性。上述结果共同表明，VPM 中的头方向调谐神经元在空间上呈稀疏分布，不存在明显的空间聚集现象，提示感觉丘脑采用空间稀疏的头方向编码方式。
小鼠旷场探索过程中丘脑神经活动的大视场成像
创新与亮点
该研究突破了梯度折射率微内窥镜固有像差限制深脑双光子成像分辨率与视场的关键难题。以往自适应光学方案需要复杂的光路改造与专用软件控制，而本研究提出的微加工校正光学元件以极轻重量和极小体积直接集成于内窥镜端，在不改变微型显微镜主体架构的前提下即实现了四倍以上的有效视场扩展和轴向分辨率的全视场均匀化。在应用层面，该技术首次实现了自由活动小鼠深部丘脑核团的大视场、细胞分辨率双光子功能成像，为研究感觉丘脑中的感觉信息编码、头方向信号处理等神经环路机制提供了新的观测手段，也为其他深部脑结构的在体功能成像拓展了可行路径。
总结与展望
研究通过将微加工校正光学元件与微型双光子显微镜结合，有效解决了梯度折射率内窥镜像差导致的视场受限与分辨率不均问题，在自由活动小鼠深脑区实现了大视场高分辨率的神经元活动记录，并揭示了感觉丘脑头方向编码的稀疏空间组织特征。未来，随着下一代微型物镜数值孔径的提升与系统固有像差的进一步降低，结合校正内窥镜技术，有望在保持微创性的前提下实现更深脑区的高分辨率光学探测。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Chiara Nardin et al. ,Extended field-of-view two-photon imaging in the deep brain of freely behaving mice using lightweight microfabricated corrective optics.Sci. Adv.12,eaei5334(2026).
DOI:10.1126/sciadv.aei5334
