超宽视野、深层、自适应双光子显微镜用于多尺度神经成像

以新视角观察大脑

理解大脑如何工作需要观察大量神经元在多个脑区同时通信，而不是仅仅放大查看一小块区域。迄今为止，大脑显微镜常常迫使研究者在观测广阔区域和在较深处获得精细细节之间做出取舍。本文介绍了一种名为 ULTRA 的新型显微镜，这种设备在很大程度上打破了这种权衡，使研究人员能够在一次实验中观察小鼠皮层上成千上万神经元的放电活动，并深入到更深的层次。

常规大脑显微镜的局限

双光子显微镜是现代脑成像的主力，因为它们能够在活组织深处以清晰的细节观察活动。然而，大多数系统一次只能观察约一毫米范围，而且在尝试更深或更宽的视野时性能会下降。光学的基本规律表明，如果将视野做得非常宽，通常必须在分辨率或光收集能力上做出让步。另外，玻璃透镜需要在不致模糊的情况下处理宽色域，每增加一片透镜都会使图像变暗或失真。因此，许多现有的宽视野系统既复杂又昂贵，仍然难以同时兼顾大面积、深度和单细胞清晰度。

为大尺度设计的新显微镜

ULTRA 系统通过对光路进行整体性重新设计来应对这些限制。作者定制了一个水浸物镜，能够观察直径 8 毫米的脑表面圆形区域——超过 50 平方毫米——同时仍能分辨单个细胞并到达近一毫米的深度。他们没有把物镜和下游透镜单独对待，而是一起优化，以在整个视野内将模糊和色差降到很低。选用特殊玻璃类型并将透镜组精心排列，有助于压平像面并保持从中心到边缘的焦点清晰。定制的头板固定装置使小鼠颅骨能够对准，从而让多个皮层区域处于近似相同深度，这使得一次性扫描大范围区域成为可行。

借助智能光学与更好探测器实现更清晰视野

ULTRA 不仅仅依靠巧妙的透镜设计。它增加了一面自适应镜，可实时微调入射激光的波前，以抵消随视野边缘而加剧的像差。这种校正让系统能够解析数毫米开外的微小结构，如树突棘。在探测端，团队集成了大面积、高输出的光电倍增管，能够收集来自深部组织的更多微弱光子。这些探测器能在强弱信号间工作而不致饱和，改善了信噪比，特别是在深处，并支持快速扫描而不牺牲数据质量。

实时观察大尺度脑网络

为了展示 ULTRA 在活体动物中的能力，研究者对小鼠的多种脑结构与活动进行了成像。他们在宽视窗范围内获取了抑制性神经元、精细树突和棘突的清晰图像，并追踪同一个微小棘突数天，证明了系统的稳定性。他们还同时绘制了四个相距较远皮层区域的血管分布，并测量了血管直径、长度、间距和密度。最引人注目的是，他们记录了数千个神经元的钙信号——神经活动的读出——这些神经元分布在 6–7 毫米的范围内，既有表层也有约半毫米深的较深层。在移动过程中，他们能够观察到脑区间连接的增强与扩散过程，揭示了运动如何实时改变大尺度皮层网络。

对脑科学研究的意义

对非专业读者而言，核心信息是 ULTRA 将过去如钥匙孔般狭窄的大脑视角转变为更接近全景窗的观察方式，同时不丧失观察单个细胞和细小树枝的能力。它可以成像大面积皮层、进入更深组织并在行为过程中追踪活动变化，且保持高分辨率。尽管在纵向分辨率和更大动物的工作距离等方面仍有改进空间，该系统在能探测的活体大脑面积与体积方面已超越以往的宽视野设计。ULTRA 有望加速将局部细胞行为与全脑网络联系起来的研究，推动我们更接近理解分布式神经元群体如何协同产生知觉、运动和记忆。

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

关键词: 双光子显微镜, 神经成像, 皮层网络, 自适应光学, 全脑活动