新型多模態顯微鏡實現毫米級視場下以微米級空間分辨率多模態成像
近日，一項突破性研究成功開發出一種新型多模態顯微鏡——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觀測。該顯微鏡整合了寬場Ca2+熒光顯微鏡、光學分辨率光聲顯微鏡（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，無創捕獲神經元放電、總血紅蛋白濃度和血流速度的動態變化。通過內源性生物標志物（如GCaMP6f和血紅蛋白），研究團隊在動物模型中驗證了多參數成像能力，并針對麻醉和電擊誘導癲癇等腦刺激開展了全局與局部神經血管耦合分析，為揭示大腦功能與血管活動的復雜關聯提供了全新工具。
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》期刊在線發表。
重要發現
01多模態顯微鏡的集成設計
研究團隊核心貢獻在于成功將三種互補的光學成像技術——寬場Ca2+熒光顯微鏡、光學分辨率光聲顯微鏡（OR-PAM）和激光散斑對比成像（LSCI）集成于單一平臺。這一設計克服了傳統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結構，通過預物鏡旋轉掃描引擎實現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。
為解決激光掃描式OR-PAM與寬場成像間的時間分辨率鴻溝，團隊提出復合策略：首先通過超快激光調制實現均勻旋轉掃描，消除中心區域過采樣導致的熱損傷；其次開發自適應光聲激發方案，僅在血管區域觸發激光脈沖，降低平均功耗；最后結合稀疏采樣與基于Transformer的深度學習重建算法，在保證圖像質量的同時將采樣點減少至傳統方法的十分之一。實驗表明，該策略使OR-PAM在長期成像（>30分鐘）中避免組織損傷，并維持血管結構與功能信息的完整性。
03神經血管耦合的動態觀測
在麻醉實驗中，multiScope成功捕捉到異氟醚誘導的神經活動抑制與血流動力學響應分離現象：高頻信號（0.04-0.1赫茲）的跨模態相關性在麻醉期間顯著降低，而低頻信號（0.005-0.02赫茲）關聯性保持穩定，提示神經血管耦合的頻域特異性調控機制。在癲癇模型中，電刺激后鈣信號陡升，血紅蛋白濃度與血流速度在約1秒延遲后同步增加，但部分相鄰小血管呈現相反響應模式。通過像素級相關性分析，研究發現兩類血管群體存在負相關關系，可能反映動脈與硬腦膜血管的不同調控機制。
04高分辨率功能成像驗證
借助轉基因小鼠（Thy1-GCaMP6f），團隊在清醒動物中實現了全腦皮層神經活動與血流動力學的同步記錄。通過超像素聚類分析，將多維數據壓縮為時空信號序列，清晰展示跑步、理毛等行為狀態下神經血管的快速協同變化。值得注意的是，OR-PAM對血紅蛋白濃度變化的檢測雖受聲學靈敏度限制，但其單血管一致性優于LSCI的血流速度信號，凸顯多模態互補優勢。
創新與亮點
01突破成像速度與兼容性瓶頸
本研究核心創新在于解決了旋轉掃描式OR-PAM固有的非均勻采樣問題。傳統旋轉掃描因極坐標采樣機制導致中心區域脈沖過度累積，不僅降低成像效率，還可能引發光熱損傷。團隊通過激光脈沖的像素級調制、基于血管分割的自適應激發策略，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，同時將中心區域平均功率密度降低34%。這種“光-聲-算”一體化設計為多模態集成樹立了新范式。
multiScope首次在毫米級視場下實現微米級精度的神經-血流同步成像，其空間分辨率（7.1-10.7微米）足以分辨皮層表面細小血管。相較于功能磁共振成像（fMRI）或功能超聲等宏觀技術，該平臺兼具高時空分辨率與內源性對比度優勢，可直接觀測神經活動觸發的血管舒縮動態。例如在癲癇實驗中，相鄰血管呈現相反的血紅蛋白濃度變化，此類微尺度現象在低分辨率成像中易被忽略。
03生物醫學應用價值凸顯
該技術為神經血管耦合研究提供了全新視角。在基礎科研層面，能夠解析阿爾茨海默病、帕金森病等神經退行性疾病中神經活動與血流調節的失關聯機制；在臨床前研究中，可用于評估麻醉藥物對腦功能的長效影響，或癲癇發作的血管響應規律。此外，平臺兼容轉基因熒光指標（如jGCaMP系列）與血流定位成像，未來可通過高數值孔徑物鏡進一步實現毛細血管級觀測，推動細胞水平神經血管耦合機制的破解。
總結與展望
multiScope多模態顯微鏡通過創新性地融合寬場熒光、光聲與散斑成像技術，成功突破了全腦尺度下神經-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視角。其技術亮點不僅在于解決了光聲顯微鏡的速度瓶頸，更通過內源性對比劑實現了清醒動物的長期動態觀測，規避了外源標記的干擾。未來，該平臺可通過結合更高靈敏度的超聲探測器、新型基因編碼鈣指示劑（如jGCaMP7），進一步拓展至神經膠質細胞互作研究或靈長類模型應用。隨著光學設計與算法持續優化，這種多模態成像策略有望成為腦科學領域的標準工具，推動從微觀細胞事件到全腦網絡水平的跨尺度整合，最終為腦血管疾病的精準診療提供新范式。
聲明：本文僅用作學術目的。
Qin W, Li T, Li L, Jin T, Li B, Qi W, Chen Y, Li H, Ruan S, Guo H, Liang X, Xi L. A cortex-wide multimodal microscope for simultaneous Ca2+ and hemodynamic imaging in awake mice. Nat Commun. 2025 Oct 23;16(1):9364.
DOI:10.1038/s41467-025-64393-z.
