新型多模態(tài)顯微鏡實現(xiàn)毫米級視場下以微米級空間分辨率多模態(tài)成像

近日，一項突破性研究成功開發(fā)出一種新型多模態(tài)顯微鏡——multiScope，能夠同時對清醒小鼠的全腦皮層進行鈣離子（Ca2+）熒光成像和血流動力學(xué)觀測。該顯微鏡整合了寬場Ca2+熒光顯微鏡、光學(xué)分辨率光聲顯微鏡（OR-PAM）以及激光散斑對比成像（LSCI）三種成像模式，首次實現(xiàn)了在毫米級視場下以微米級空間分辨率和高達4赫茲的時間速度，無創(chuàng)捕獲神經(jīng)元放電、總血紅蛋白濃度和血流速度的動態(tài)變化。通過內(nèi)源性生物標志物（如GCaMP6f和血紅蛋白），研究團隊在動物模型中驗證了多參數(shù)成像能力，并針對麻醉和電擊誘導(dǎo)癲癇等腦刺激開展了全局與局部神經(jīng)血管耦合分析，為揭示大腦功能與血管活動的復(fù)雜關(guān)聯(lián)提供了全新工具。

本研究成果由Wei Qin、Tingting Li、Linyang Li、Tian Jin、Baochen Li、Weizhi Qi、Yifan Chen、Haoyang Li、Shijie Ruan、Heng Guo、Xiao Liang和Lei Xi共同完成，論文題為“A cortex-wide multimodal microscope for simultaneous Ca2+ and hemodynamic imaging in awake mice”，于10月在《Nature Communications》期刊在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01多模態(tài)顯微鏡的集成設(shè)計
研究團隊核心貢獻在于成功將三種互補的光學(xué)成像技術(shù)——寬場Ca2+熒光顯微鏡、光學(xué)分辨率光聲顯微鏡（OR-PAM）和激光散斑對比成像（LSCI）集成于單一平臺。這一設(shè)計克服了傳統(tǒng)成像模式間時空分辨率不匹配的難題。multiScope采用無限遠校正光學(xué)結(jié)構(gòu)，通過預(yù)物鏡旋轉(zhuǎn)掃描引擎實現(xiàn)OR-PAM與寬場成像的兼容性，其視場直徑達8.6毫米，可覆蓋小鼠全腦皮層。在成像性能方面，經(jīng)模型重建后，寬場成像和光聲顯微鏡的平均空間分辨率分別達到10.7±3.1微米和7.1±0.8微米，最高成像速度提升至4赫茲。

創(chuàng)新與亮點
01突破成像速度與兼容性瓶頸
本研究核心創(chuàng)新在于解決了旋轉(zhuǎn)掃描式OR-PAM固有的非均勻采樣問題。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)掃描因極坐標采樣機制導(dǎo)致中心區(qū)域脈沖過度累積，不僅降低成像效率，還可能引發(fā)光熱損傷。團隊通過激光脈沖的像素級調(diào)制、基于血管分割的自適應(yīng)激發(fā)策略，以及稀疏采樣重建算法，將OR-PAM的時間分辨率提升至與寬場成像匹配的4赫茲，同時將中心區(qū)域平均功率密度降低34%。這種“光-聲-算”一體化設(shè)計為多模態(tài)集成樹立了新范式。

總結(jié)與展望
multiScope多模態(tài)顯微鏡通過創(chuàng)新性地融合寬場熒光、光聲與散斑成像技術(shù)，成功突破了全腦尺度下神經(jīng)-血流同步成像的時空分辨率限制，為理解大腦功能提供了前所未有的多參數(shù)視角。其技術(shù)亮點不僅在于解決了光聲顯微鏡的速度瓶頸，更通過內(nèi)源性對比劑實現(xiàn)了清醒動物的長期動態(tài)觀測，規(guī)避了外源標記的干擾。未來，該平臺可通過結(jié)合更高靈敏度的超聲探測器、新型基因編碼鈣指示劑（如jGCaMP7），進一步拓展至神經(jīng)膠質(zhì)細胞互作研究或靈長類模型應(yīng)用。隨著光學(xué)設(shè)計與算法持續(xù)優(yōu)化，這種多模態(tài)成像策略有望成為腦科學(xué)領(lǐng)域的標準工具，推動從微觀細胞事件到全腦網(wǎng)絡(luò)水平的跨尺度整合，最終為腦血管疾病的精準診療提供新范式。