通過特定的校正物鏡來補償GRIN透鏡的像差從而提升成像質量與通量

在神經科學研究中，光學成像技術因其高靈敏度和優異的時空分辨率而被廣泛應用，然而哺乳動物大腦中光散射嚴重限制了其成像深度。目前，植入小型梯度折射率（GRIN）透鏡已成為深部腦區光學成像的主要手段，但GRIN透鏡存在嚴重的像差問題，導致成像視場小、分辨率低，制約了其應用潛力。針對這一挑戰，本研究提出了一種易于實施的解決方案——通過專門設計的校正物鏡來補償GRIN透鏡的像差，從而顯著提升成像質量與通量。該校正物鏡能夠將成像視場擴大約400%，使研究人員能夠在活體小鼠深部腦區實現超過1000個神經元的大范圍三維鈣信號記錄。這一技術無需復雜系統改造，僅需替換傳統雙光子顯微鏡的物鏡即可實現高性能成像，極大降低了使用門檻。

本研究成果由Zongyue Cheng、Yuting Li、Jianian Lin與Meng Cui共同完成，論文題為“Large field-of-view volumetric deep brain imaging through gradient-index lenses”，于2025年10月在《Nature Communications》期刊上在線發表。該研究為深部腦區大規模神經元活動監測提供了強有力的工具，有望推動神經系統環路機制研究的進一步發展。

重要發現
01GRIN透鏡的像差挑戰與校正策略
梯度折射率透鏡因其緊湊的尺寸成為深腦光學記錄的關鍵工具，但其固有的高階像差（尤其是四階像差）導致成像視場嚴重受限。常規物鏡僅能在GRIN透鏡中心區域實現高質量聚焦，邊緣區域則出現分辨率下降和信號強度衰減，有效成像面積通常不足透鏡端面的10%。這種像差具有空間變化特性，難以通過傳統自適應光學技術進行實時補償，尤其無法滿足高速鈣成像（線掃描速率達24 kHz）對通量的要求。

03活體結構成像驗證視場擴展效果
在活體Thy1-eGFP轉基因小鼠海馬CA1區的成像實驗中，校正物鏡展現出顯著優勢。常規物鏡僅在直徑約160微米的中心區域能分辨細胞形態，而校正物鏡將細胞分辨率成像范圍擴展至直徑約400微米，覆蓋GRIN透鏡端面的80%。在視場邊緣，校正物鏡甚至能清晰分辨樹突結構，而常規物鏡僅能獲得模糊團塊。

創新與亮點
01突破成像視場限制的技術革新
本研究最顯著的創新在于通過物鏡級像差校正，將GRIN透鏡的可用成像視場從不足透鏡直徑的1/3擴展至80%，面積增加400%以上。這種設計巧妙地規避了自適應光學系統波前調制速度不足的瓶頸，實現了與傳統高速掃描系統完全兼容的大視場體積成像。與需要復雜硬件改造的幾何變換自適應光學（GTAO）相比，該方法僅需替換物鏡，極大降低了技術門檻。

02簡化系統集成推動技術普及
校正物鏡采用標準M27×0.75螺紋接口，重量僅43克，可直接搭載于常規壓電位移臺，無需改變顯微鏡光路或掃描架構。這種“即插即用”的特性使神經科學實驗室無需專門光學工程支持即可實現高性能深腦成像，顯著提升了方法的可及性和重復性。

03為多模態關聯成像提供新可能
大視場體積成像為在體記錄與離體分子標記的關聯研究奠定了基礎。盡管GRIN透鏡存在場曲，但通過數字校正仍可實現三維空間定位。未來若在物鏡設計中進一步補償場曲，將簡化圖像配準流程，提升神經活動與分子身份關聯研究的通量和成功率。

總結與展望
本研究開發的校正物鏡為解決GRIN透鏡像差問題提供了簡潔而高效的方案，成功將深部腦區光學成像的視場和通量提升至新高度。其輕量化的設計與簡易的操作流程十分有利于在神經科學社區中廣泛推廣，為研究大腦深部區域的大規模神經網絡活動提供了強大工具。展望未來，研究團隊計劃在兩方面進一步優化物鏡性能：一是提高熒光收集數值孔徑（目前為0.63），以提升信號收集效率并降低激發光功率；二是補償GRIN透鏡的固有場曲，實現平坦視場體積成像，從而更好地匹配圓柱形腦組織區域并簡化多模態圖像配準流程。這一技術的發展將不斷拓展我們在體觀測神經網絡動態的邊界，為理解大腦功能機制提供更豐富的數據支撐。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Cheng Z, Li Y, Lin J, Cui M. Large field-of-view volumetric deep brain imaging through gradient-index lenses. Nat Commun. 2025 Oct 27;16(1):9465

DOI:10.1038/s41467-025-64529-1.