マルチスケール神経イメージングのための超広視野・深部対応・適応型二光子顕微鏡

脳を新たな視点で見る

脳の働きを理解するには、単に小さな領域を拡大するのではなく、多数の神経細胞が複数領域にわたって同時にやり取りする様子を観察する必要があります。これまでの脳用顕微鏡は、広い領域を見るか、あるいは細かな構造を深部まで覗き込むかのどちらかを選ばざるを得ませんでした。本論文はULTRAと呼ばれる新しい顕微鏡を紹介しており、このトレードオフを大きく緩和します。マウスの皮質のかなりの範囲にわたり、数万個のニューロンの発火を同一実験で観察し、さらに深層まで到達できます。

従来の脳顕微鏡が不足する点

二光子顕微鏡は、生体組織の深部を高解像度で観察できるため現代の脳イメージングの主力です。しかし、多くは一度に見られる視野が約ミリメートル程度に限られ、深さや視野を広げようとすると性能が劣化します。光学の基本原理では、視野を非常に広くすると通常は解像度か集光力のどちらかを犠牲にしなければなりません。加えて、ガラスレンズは多色にわたって像のぶれを抑えなければならず、レンズを追加するほど像が減光・歪む可能性があります。その結果、多くの既存の広視野系は複雑で高価になりやすく、非常に大きな面積・深さ・単一細胞の解像度を同時に達成するのに苦労しています。

スケール対応に設計された新しい顕微鏡

ULTRAシステムは光学経路を全体的に再設計することでこれらの限界に挑みます。著者らは、直径8ミリメートルの脳表面を観察できるカスタムの水浸対物レンズを作成し、それによって50平方ミリメートル以上の領域を個々の細胞を解像しつつ、ほぼミリメートル深部まで到達できます。対物レンズと下流のレンズ群を分離して扱うのではなく、全体を同時に最適化して視野全域でのボケや色収差を最小限に抑えました。特別なガラス材や精密に配置したレングループが像面を平坦化し、中心から端までシャープな焦点を維持します。カスタムのヘッドプレート固定具によりマウス頭蓋を整列させ、多くの皮質領域がほぼ同じ深さに位置するようにして、広範囲を一度に走査することを実用化しています。

賢い光学と高性能検出器によるより鮮明な像

ULTRAは巧妙なレンズ設計だけにとどまりません。適応ミラーを追加して、非常に広い視野の端に向かって増大する歪みを実時間で打ち消すために入射レーザーの波面を微妙に再形成します。この補正により、中心から数ミリ離れた領域でも樹状突起スパインのような微細構造を解像できます。検出側では、大面積で高出力の光電子増倍管を組み込んでおり、深部から戻る微弱な光子をより多く集めます。これらの検出器は強い信号と弱い信号の両方を飽和せずに扱えるため、特に深部での信号対雑音比が改善され、高速走査を行ってもデータ品質を損ないません。

大規模な脳ネットワークを動作中に観察する

実際の動物での有効性を示すために、研究者たちはマウスのさまざまな脳構造と活動を撮像しました。広い頭蓋ウインドウにわたって抑制性ニューロンや細い樹状突起、スパインを鮮明に捉え、同じ微小スパインを数日にわたって追跡して安定性を示しました。また、4つの離れた皮質領域の血管を同時に写し、血管の直径、長さ、間隔、および密度を計測しました。最も印象的なのは、表層近傍や約0.5ミリの深さにある深層から、6〜7ミリメートルにわたって分布する多数のニューロンからカルシウム信号（神経活動の指標）を記録したことです。運動中には、領域間の結びつきが強化・拡がる様子を観察でき、運動が大規模な皮質ネットワークをリアルタイムでどのように変えるかを明らかにしました。

脳研究にもたらす意義

専門外の人向けに要点をまとめると、ULTRAは従来は狭い鍵穴のような視野に限られていた脳の観察を、単一細胞や微細な樹状突起を失うことなく、むしろパノラマに近い窓に変える技術です。広大な皮質領域を撮像し、深部まで到達し、行動に伴う活動変化を高い明瞭さで追跡できます。垂直方向の解像度や大型動物向けの作動距離など改善の余地は残りますが、本システムは生体脳で走査可能な面積・体積において従来の広視野設計を既に上回っています。ULTRAは局所的な細胞の振る舞いを脳全体のネットワークに結びつける研究を加速し、分散した神経群がどのように協調して知覚、運動、記憶を生み出すかの理解に近づけるでしょう。

引用: Yang, M., Zhou, ZQ., Lang, S. et al. Ultra-wide-field, deep, adaptive two-photon microscopy for multi-scale neuronal imaging. Light Sci Appl 15, 198 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02252-2

キーワード: 二光子顕微鏡, 神経イメージング, 皮質ネットワーク, 適応光学, 脳全体の活動