北京腦所吳江來實驗室打造至簡微型雙光子顯微鏡，賦能自由活動小鼠高清高通量神經成像

　　RESEARCH PROGRESS

　　2025年11月29日，北京腦科學與類腦研究所吳江來實驗室在Nature Communications上發表題為High-throughput two-photon volumetric brain imaging in freely moving mice的文章。該研究首次將貝塞爾光束引入微型雙光子顯微鏡中，實現了自由活動小鼠神經活動的高分辨率高通量體積成像。

　　微型雙光子顯微鏡憑借其光學層切能力和深層組織穿透性，為研究自由活動小鼠的神經活動提供了獨特優勢。在傳統雙光子顯微成像領域，相比于廣泛使用的高斯光束成像，貝塞爾光束具有其獨特的優勢：首先，貝塞爾光束通過在二維平面上掃描一個軸向延長的焦點，將需要逐層掃描的樣品三維信息轉化為軸向壓縮后的二維圖像，提高了體積成像速率；同時，擴展的景深能夠更好地抵抗成像過程中動物自由活動帶來的軸向運動偽影；此外，與高斯光束相比，貝塞爾光束具有更高的橫向分辨率，并且對球差、慧差等光學像差不敏感，有利于簡化微型顯微鏡的光學設計。

圖1 微型貝塞爾雙光子顯微鏡示意圖

　　基于上述特性，研究團隊通過將貝塞爾光束引入微型雙光子顯微鏡中，開發了具有高通量體積成像功能的微型貝塞爾雙光子顯微鏡（圖1）。具體地，研究團隊采用大模場光子晶體光纖，并在其端面設計加工了微型錐透鏡，用于將激光器產生的高斯光束轉化為貝塞爾光束，并傳入微型顯微鏡中；光束經由自主設計的簡易掃描光路與微型物鏡，在樣品焦平面上形成軸向延長的焦點；受激的熒光信號經由微型探測器轉化為電信號，并通過同軸線纜傳輸，用于生成神經元活動圖像。

　　視頻1 自由活動小鼠M2腦區神經元鈣信號活動

　　應用自主研制的微型貝塞爾雙光子顯微鏡，研究團隊對自由活動狀態下小鼠的神經鈣信號活動進行了成像。研究團隊在420 × 420 × 80 μm3的三維體積中，同時記錄到了近千個神經元的活動（視頻1）。此外，研究團隊還追蹤了自由活動狀態下小鼠樹突/樹突棘結構的活動（視頻2）。

　　視頻2 自由活動小鼠ACC腦區樹突/樹突棘鈣信號活動

　　本研究研制的微型貝塞爾雙光子顯微鏡，不僅具備高清高通量的成像性能，也因其結構簡單的設計而具備了更低的制造成本與更高的可推廣性。其簡單的光學設計使團隊能夠自主完成鏡頭組裝，通過簡易光學校準即可實現衍射極限分辨率，擺脫了傳統精密物鏡復雜昂貴的制造裝配流程。研究團隊希望，微型貝塞爾雙光子顯微鏡能夠大幅降低微型雙光子顯微鏡的使用門檻，推動其所在神經生物學領域的廣泛應用，其獨特的光學理念也可以為發展下一代微型高通量顯微成像系統提供重要啟發。