神經(jīng)元高清直播：自適三光子顯微鏡解鎖大腦深境

論文全稱：
High-resolution structural and functional deep brain imaging using adaptive optics three-photon microscopy

作者：

Lina Streich, Juan Carlos Boffi, Ling Wang等

發(fā)表期刊：Nature Methods

發(fā)表時(shí)間：2021年9月30日

重要發(fā)現(xiàn)
01三光子激發(fā)：突破組織散射的“光學(xué)鑰匙”
傳統(tǒng)雙光子顯微鏡（2PM）受限于表層離焦熒光干擾，在哺乳動(dòng)物大腦中的成像深度僅約1毫米。三光子顯微鏡（3PM）通過(guò)長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)（1300nm）和非線性三光子吸收效應(yīng)，顯著降低背景噪聲，將有效成像深度拓展至1.4毫米（小鼠海馬CA1區(qū)邊緣）。其核心優(yōu)勢(shì)包括：

高信號(hào)背景比（SBR）：在深層組織中，3PM的SBR比2PM提升數(shù)倍，例如在皮層下900微米處可分辨單個(gè)突觸結(jié)構(gòu)（直徑約0.5微米）。

低光損傷特性：通過(guò)優(yōu)化激光參數(shù)（<50fs脈沖寬度、0.5–22mW平均功率），焦點(diǎn)能量控制在<2nJ，低于組織損傷閾值，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間活體觀測(cè)而不引發(fā)光毒性。

抗噪能力：即使在SBR極低的深層區(qū)域（如海馬>1毫米處），AO仍能通過(guò)神經(jīng)元胞體信號(hào)完成像差校正，信號(hào)增強(qiáng)達(dá)8倍，軸向分辨率提升4倍。

大視場(chǎng)校正：軸向校正范圍覆蓋數(shù)百微米，允許在離優(yōu)化點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域（如不同皮層層或海馬深層）維持高分辨率，無(wú)需依賴侵入性梯度折射率透鏡。

實(shí)驗(yàn)顯示，AO校正后，皮層下900微米的突觸棘突和海馬1.4毫米處的樹突精細(xì)結(jié)構(gòu)均清晰可辨，空間頻率分布恢復(fù)至理論衍射極限的90%以上。

03心電圖門控：凍結(jié)生理運(yùn)動(dòng)的“時(shí)間快門”
心臟搏動(dòng)引發(fā)的腦組織微位移是深層成像的另一難題。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)FPGA實(shí)時(shí)同步掃描與心電圖R波，在心跳峰值期間暫停成像，將幀間運(yùn)動(dòng)偽影降低60%，幀間相關(guān)性從0.94提升至0.98。

非侵入性優(yōu)勢(shì)：無(wú)需植入傳感器或復(fù)雜后期處理，僅通過(guò)外部電極采集心電信號(hào)，適用于長(zhǎng)期植入窗口的自由活動(dòng)動(dòng)物。

深度適用性：在海馬>1毫米深度，ECG門控使樹突成像的信噪比（SNR）提升3倍，允許通過(guò)幀平均進(jìn)一步增強(qiáng)信號(hào)，而傳統(tǒng)非門控方法因偽影重疊無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

白質(zhì)纖維性星形膠質(zhì)細(xì)胞：在胼胝體（深度862微米）觀測(cè)到微域鈣瞬變，盡管缺乏典型突觸接觸，仍表現(xiàn)出與神經(jīng)元活動(dòng)相關(guān)的功能性信號(hào)。

皮層深層原生質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞：在皮層V-VI層（深度835微米），AO校正后檢測(cè)到的鈣活性微域數(shù)量增加50%，揭示其對(duì)局部神經(jīng)環(huán)路的動(dòng)態(tài)調(diào)控潛力。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01技術(shù)協(xié)同突破三大瓶頸

像差校正：傳統(tǒng)AO在深層低信號(hào)環(huán)境中效率不足，而模態(tài)-based AO通過(guò)全局波前調(diào)制，在信噪比比1還低的條件下仍能收斂，校正速度<500毫秒/模態(tài)。

運(yùn)動(dòng)偽影：ECG門控相比傳統(tǒng)事后校正更高效，掃描占空比僅降低40–60%，遠(yuǎn)優(yōu)于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的復(fù)雜性。

03科學(xué)價(jià)值：從神經(jīng)元到膠質(zhì)細(xì)胞的解析
該技術(shù)首次在活體中清晰呈現(xiàn)深層神經(jīng)元突觸可塑性（如皮層棘突動(dòng)態(tài)變化）和膠質(zhì)細(xì)胞功能異質(zhì)性，為研究神經(jīng)退行性疾�。ㄈ绨�爾茨海默病的海馬突觸丟失）、脫髓鞘病變等提供了關(guān)鍵工具。例如，通過(guò)AO校正，可在海馬CA1區(qū)觀測(cè)到單個(gè)樹突棘的鈣信號(hào)，而傳統(tǒng)方法因像差模糊無(wú)法分辨。

總結(jié)與展望
三光子顯微鏡與自適應(yīng)光學(xué)、心電門控的結(jié)合，標(biāo)志著活體深層成像技術(shù)進(jìn)入新紀(jì)元。其1.4毫米的穿透深度、亞微米級(jí)分辨率及非侵入性特性，使科學(xué)家得以窺視大腦“無(wú)人區(qū)”的神經(jīng)活動(dòng)細(xì)節(jié)，從神經(jīng)元突觸到膠質(zhì)細(xì)胞微域，全方位解析腦功能的細(xì)胞基礎(chǔ)。

未來(lái)，該技術(shù)有望通過(guò)波前整形技術(shù)與三光子的結(jié)合（如同時(shí)校正散射與像差），進(jìn)一步提升成像深度至2毫米以上；微型化探頭的開發(fā)則可能實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)動(dòng)物的全腦實(shí)時(shí)成像。從基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)到臨床前研究，這項(xiàng)“光學(xué)革命”正推動(dòng)我們向“解碼大腦”的終極目標(biāo)邁出關(guān)鍵一步——或許在不久的將來(lái)，人類能借助這雙“光學(xué)慧眼”，真正揭開意識(shí)、記憶與疾病的神秘面紗。

DOI:10.1038/s41592-021-01257-6.