微型化多光子顯微鏡在自由活動(dòng)動(dòng)物成像中扮演著日益重要的角色，然而，其實(shí)踐應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。多光子顯微鏡優(yōu)異的光學(xué)切片能力導(dǎo)致其景深較淺（3至20µm，由軸向分辨率確定），成像視野通常在1mm²以內(nèi)。在缺乏引導(dǎo)的情況下，要在跨越數(shù)毫米顱窗或梯度變折射率透鏡（GRIN Lens）的三維空間中，快速定位目標(biāo)感興趣區(qū)域（ROI）仍具挑戰(zhàn)性。尤其是對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)的研究者而言，確認(rèn)ROI并將微型化顯微鏡安裝到小鼠頭部可能耗費(fèi)數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時(shí)，這極大限制了該技術(shù)在自由活動(dòng)動(dòng)物研究中的進(jìn)一步應(yīng)用。

為解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在早期的工作中將寬場(chǎng)（WF）物鏡與m2PM頭戴式裝置的微型化物鏡（FHIRM-TPM）相結(jié)合，創(chuàng)建了用于定位的寬視場(chǎng)熒光成像裝置。然而，由于早期的微型化物鏡的視場(chǎng)有限（約150µm），在幾毫米寬的顱窗內(nèi)仍難以快速找尋感興趣區(qū)域。此外，在切換至m2PM成像時(shí)，由于寬視場(chǎng)物鏡的工作距離有限（約37.5mm），需要對(duì)光纖進(jìn)行較大的彎曲，這使得操作更具挑戰(zhàn)性。近期，Zong等人引入了旋轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)固定m2PM頭戴裝置，通過(guò)角度調(diào)整實(shí)現(xiàn)與某些特定的腦區(qū)更好的對(duì)準(zhǔn)。盡管取得這些進(jìn)展，但在三維腦組織中快速定位感興趣區(qū)仍存在挑戰(zhàn)，給新研究人員帶來(lái)了陡峭的學(xué)習(xí)曲線。此外，當(dāng)前m2/3PM的工作距離小于2mm，當(dāng)使用z軸平臺(tái)定位焦平面時(shí)，樣本或物鏡極易受損，對(duì)經(jīng)驗(yàn)不足的用戶尤為明顯。總的來(lái)說(shuō)，亟需開(kāi)發(fā)一種具有增強(qiáng)引導(dǎo)功能的多模態(tài)成像平臺(tái)，并建立標(biāo)準(zhǔn)化工作流程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)自由活動(dòng)動(dòng)物的高效成像。

多模態(tài)熒光成像平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多模態(tài)熒光成像平臺(tái)，將寬場(chǎng)熒光導(dǎo)航系統(tǒng)（WF-Nav）與微型化雙光子顯微成像和微型化三光子顯微成像進(jìn)行了整合。為充分發(fā)揮單光子激發(fā)的優(yōu)勢(shì)，WF-Nav系統(tǒng)配備了大視場(chǎng)和單細(xì)胞分辨率功能，可快速識(shí)別指定感興趣區(qū)域。一旦定位到目標(biāo)區(qū)域，系統(tǒng)可無(wú)縫切換至雙光子或三光子成像，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高信噪比或深層神經(jīng)元成像。隨后將m2PM或m3PM探頭固定于小鼠頭部，釋放小鼠進(jìn)行自由活動(dòng)成像。

圖1.多模態(tài)熒光成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寬場(chǎng)熒光導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)
WF-Nav系統(tǒng)由一臺(tái)多色大視場(chǎng)寬場(chǎng)顯微鏡和多功能適配器組成。該系統(tǒng)采用三個(gè)LED作為激發(fā)光源（405nm，473nm，561nm），并配備高數(shù)值孔徑的非球面聚光透鏡對(duì)LED光束進(jìn)行準(zhǔn)直，每個(gè)激發(fā)光路均配有相應(yīng)的濾光片組。為實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)導(dǎo)航并為無(wú)縫切換多光子鏡組提供充足空間，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款長(zhǎng)工作距離、低倍率的干式物鏡。該物鏡（3.3x）采用反遠(yuǎn)攝設(shè)計(jì)：前組為兩片膠合雙合透鏡提供負(fù)光焦度，后組由單片球面透鏡構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)將主平面后移以校正色差，在保持?jǐn)?shù)值孔徑的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)有效焦距的工作距離，最終達(dá)成90mm工作距離的突破性指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)了Φ5.64mm的最大成像視場(chǎng)。

圖2.寬場(chǎng)熒光顯微鏡設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)寬場(chǎng)模式與多光子成像模式間的無(wú)縫切換，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款多功能適配器。該適配器連接寬場(chǎng)物鏡，并在Z軸電動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的m2/3PM探頭設(shè)計(jì)，探頭可穩(wěn)固的安裝在同一支架上，并保證了多光子與寬場(chǎng)模式切換時(shí)的齊焦成像。

圖3.多功能適配器與齊焦功能

此款90mm工作距離的物鏡為操作頭件、光纖或加裝可拆卸電動(dòng)變焦透鏡模塊提供了充足空間。頭件支架安裝在滑動(dòng)阻力極�。�約0.1N）、伸縮距離12 mm的輕型直線滾珠滑軌上，可有效避免物鏡與樣本的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)更換頭件支架，系統(tǒng)可兼容不同頭件，如mini2P和m3PM。此外，得益于微型化化雙光子顯微鏡的尺寸與可回縮設(shè)計(jì)，相較于常規(guī)臺(tái)式物鏡，該系統(tǒng)在大多數(shù)方向上提供了更大的觀察角度，從而帶來(lái)了更廣的樣本觀察范圍。這一設(shè)計(jì)顯著提升了樣本的粗定位效率。

圖4.不同物鏡與微型化雙光子顯微鏡觀察角的對(duì)比

接下來(lái)，開(kāi)發(fā)人員評(píng)估了寬場(chǎng)熒光顯微鏡的光學(xué)性能與實(shí)際應(yīng)用。對(duì)Thy1-YFPH小鼠的腦切片進(jìn)行成像，可以清晰識(shí)別出神經(jīng)元和軸突。在470nm波長(zhǎng)下進(jìn)行活體鈣離子成像，561nm波長(zhǎng)下進(jìn)行形態(tài)學(xué)成像，成功捕獲了3804個(gè)GCaMP6f標(biāo)記的神經(jīng)元以及4650個(gè)表達(dá)mCherry的小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞。這些結(jié)果證明了該寬場(chǎng)顯微鏡具備多色、單細(xì)胞分辨率和高通量成像能力，并提供了對(duì)感興趣目標(biāo)區(qū)域?qū)Ш降某錾�性能�?/span>

圖5.微型化寬場(chǎng)顯微鏡高通量成像

標(biāo)準(zhǔn)化微型多光子顯微成像流程建立
為了讓自由活動(dòng)小鼠中的m2PM成像工作更加順暢，開(kāi)發(fā)人員建立了一套標(biāo)準(zhǔn)化成像流程，以提高自由活動(dòng)動(dòng)物中m2PM成像的效率。首先對(duì)動(dòng)物進(jìn)行病毒注射和外科手術(shù)操作，如顱窗植入或GRIN Lens植入，隨后等待2-4周確保病毒充分表達(dá)及手術(shù)損傷恢復(fù)。以某次實(shí)驗(yàn)為例，我們?cè)诔跫?jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）神經(jīng)元中標(biāo)記了GCaMP6s和mCherry，隨后將小鼠固定于WF-Nav裝置下的跑步機(jī)上。接著通過(guò)寬場(chǎng)顯微鏡定位目標(biāo)感興趣區(qū)域并將其對(duì)準(zhǔn)視野中心。隨后通過(guò)適配器切換至m2PM模式，在920nm和1030nm波長(zhǎng)下進(jìn)行雙色雙光子成像，最后對(duì)XY軸和焦平面進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，可以在幾分鐘內(nèi)確認(rèn)最終的目標(biāo)區(qū)域。大多數(shù)情況下，會(huì)將目標(biāo)焦平面抬高約25µm，以補(bǔ)償水泥收縮導(dǎo)致的焦點(diǎn)偏移，再將Baseplate固定在動(dòng)物頭部的頭件上，經(jīng)過(guò)約10分鐘的固化后，小鼠即可進(jìn)行自由活動(dòng)成像。

圖6.標(biāo)準(zhǔn)化自由活動(dòng)微型雙光子顯微成像流程