2023年9月20日，北京大學(xué)程和平-王愛民團隊在學(xué)術(shù)期刊Optics Express在線發(fā)表以“Millimeter field-of-view miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely moving mice"為題的研究論文，揭示了超維景最新發(fā)布的毫米成像視場微型化雙光子顯微鏡FHIRM-LF的設(shè)計原理及成像性能。該款集成低倍率微型物鏡、大視場掃描鏡、小MEMS傾斜角等特性的微型化雙光子顯微鏡探頭，重量僅有2.5克，成像視場達1000×788 μm2，為研究小動物自由行為范式中大腦神經(jīng)元群體動態(tài)功能提供了強大的觀測工具。北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院助理研究員趙春竹為該論文的第一作者，北京大學(xué)王愛民、吳潤龍為論文的共同通訊作者。
論文上線截圖
毫米級視野下高質(zhì)量數(shù)據(jù)唾手可得
典型的微型化單光子顯微鏡以其毫米級視野著稱，而微型化雙光子顯微鏡在成像分辨率、深度和層切能力方面更顯優(yōu)勢。超維景最新款毫米級視野微型化雙光子顯微鏡FHIRM-LF實現(xiàn)了二者優(yōu)勢的融合。通過設(shè)計低倍率物鏡、大視場掃描鏡并減小MEMS傾斜角，F(xiàn)HIRM-LF實現(xiàn)了1000×788 μm2的成像視場。利用該款顯微鏡探頭，作者在1000 × 788 μm2視場下觀測到了小鼠大腦皮層的神經(jīng)元、樹突和樹突棘的高分辨率圖像（圖1）。
圖1. a) FHIRM-LF探頭圖片；b) 在1000 × 788 μm2視場下，清醒小鼠大腦皮層GCaMP6s表達神經(jīng)元成像圖；c) 清醒Thy1-YFPH轉(zhuǎn)基因小鼠大腦皮層樹突和樹突棘成像圖。
GRIN Lens下的大視場高質(zhì)量成像
通過梯度折射率透鏡GRIN Lens中繼的顯微成像中，GRIN Lens引入的像差會大大降低成像質(zhì)量。為了測試FHIRM-LF探頭在GRIN Lens下的效果，作者通過GRIN Lens中繼成像對自由運動小鼠海馬神經(jīng)元進行觀察 (圖2)。在成像探頭視場為1000 × 788 μm2，成像幀率為9 Hz, 600 × 512像素條件下，盡管成像視場范圍由于GRIN Lens自身的漸暈作用略受影響，但其有效視場仍達到約為900 × 788 μm2。通過GRIN Lens對自由運動小鼠海馬背側(cè)CA1亞區(qū)進行成像記錄，該款成像探頭FHIRM-LF實現(xiàn)共計約400個神經(jīng)元鈣瞬態(tài)數(shù)據(jù)的高質(zhì)量采集，這些原始數(shù)據(jù)的平均信噪比為9.2，98%的神經(jīng)元鈣瞬態(tài)信噪比大于3。
圖2. 通過直徑為1mm的GRIN Lens對自由運動的小鼠海馬背側(cè)CA1進行中繼成像。利用FHIRM-LF對自由活動小鼠進行連續(xù)18.3分鐘的成像記錄，圖中展示所記錄的395個神經(jīng)元分割圖及Ca2+痕跡，并展示這些神經(jīng)元鈣瞬態(tài)的信噪比。
毫米級視野下深達500 μm的自由變焦
超維景微型化雙光子顯微鏡系統(tǒng)配備先進的軸向變焦ETL模塊。利用液體透鏡原理，實現(xiàn)微型化雙光子顯微鏡對大腦皮層不同功能層神經(jīng)元的同時成像記錄。結(jié)合可拆卸變焦ETL模塊，毫米大視野探頭FHIRM-LF軸向變焦范圍擴大到500 μm，在對小鼠大腦皮層成像中實現(xiàn)采集1000 × 788 × 500 μm3體積的神經(jīng)元圖像（圖3）。并且搭載變焦ETL模塊后，雙光子顯微成像仍以接近理論衍射極限的能力，保持成像分辨率恒定不變。
圖3. FHIRM-LF結(jié)合可拆卸的變焦ETL模塊對清醒小鼠皮層1000×788×500 μm3的三維體積成像。
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