在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)清醒活動(dòng)小鼠大腦的高分辨率成像一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。組織光學(xué)像差、散射以及動(dòng)物運(yùn)動(dòng)偽影嚴(yán)重限制了成像質(zhì)量。2025年10月，國(guó)際知名期刊《Nature Communications》在線發(fā)表了一項(xiàng)題為“Rapid adaptive optics enabling near noninvasive high-resolution brain imaging in awake behaving mice”的重要研究成果。該研究由Zhentao She、Yiming Fu、Yingzhu He、Gewei Yan、Wanjie Wu、Zhongya Qin和Jianan Qu組成的團(tuán)隊(duì)完成，開(kāi)發(fā)了一種名為“多路復(fù)用數(shù)字焦點(diǎn)傳感與成形”（MD-FSS）的新型快速自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

本研究提出了一種結(jié)合雙光子顯微鏡（2PM）的MD-FSS技術(shù)，能夠在約0.1秒內(nèi)完成單次像差點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）的精確測(cè)量，有效校正深層組織中的像差和散射，從而在清醒活動(dòng)小鼠腦中實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞級(jí)分辨率成像。通過(guò)薄化顱骨窗和光學(xué)透明顱骨窗這兩種近乎無(wú)創(chuàng)的方式，研究人員成功對(duì)小鼠大腦皮層深度達(dá)600微米區(qū)域進(jìn)行了高清成像，揭示了清醒與麻醉狀態(tài)下小膠質(zhì)細(xì)胞功能狀態(tài)及微血管循環(huán)動(dòng)力學(xué)的顯著差異，凸顯了在無(wú)創(chuàng)條件下研究清醒動(dòng)物大腦功能的重要性。

重要發(fā)現(xiàn)
01核心技術(shù)原理：MD-FSS的工作機(jī)制
MD-FSS技術(shù)的核心創(chuàng)新在于通過(guò)多光束干涉實(shí)現(xiàn)快速焦點(diǎn)場(chǎng)傳感，并結(jié)合數(shù)字相位解調(diào)并行測(cè)量PSF的復(fù)振幅。該系統(tǒng)利用聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）生成多個(gè)具有不同空間和頻率偏移的弱掃描光束，使其與一束強(qiáng)靜態(tài)光束在焦平面上發(fā)生干涉。通過(guò)多通道數(shù)字快速傅里葉變換（FFT）檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)能夠在不同調(diào)制頻率下解析出調(diào)制干涉信號(hào)的相位和振幅。

具體而言，每個(gè)弱掃描光束的PSF通過(guò)下行采樣方式進(jìn)行測(cè)量，隨后通過(guò)校準(zhǔn)相對(duì)振幅和相位偏移，將多個(gè)下行采樣的PSF合并重建為完整采樣的PSF。基于此重建的PSF，通過(guò)相位共軛和二維FFT計(jì)算生成校正波前，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)像差和散射的精確補(bǔ)償。相比傳統(tǒng)的單光束傳感與成形（SD-FSS）方法，MD-FSS將PSF測(cè)量時(shí)間從數(shù)秒縮短至約0.1秒，速度提升高達(dá)八倍，且不犧牲信噪比或校正精度。

更重要的是，在清醒活動(dòng)小鼠模型中，MD-FSS展現(xiàn)了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于小鼠運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致成像視場(chǎng)內(nèi)頻繁快速的偏移，傳統(tǒng)SD-FSS方法因測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，其PSF測(cè)量會(huì)受到運(yùn)動(dòng)偽影的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致校正波前無(wú)法有效提升信號(hào)強(qiáng)度，甚至引入額外像差降低成像質(zhì)量。而MD-FSS憑借其快速測(cè)量能力，能夠在清醒小鼠中準(zhǔn)確測(cè)量復(fù)雜像差PSF，顯著提升熒光強(qiáng)度和成像分辨率。

神經(jīng)元鈣活動(dòng)成像：在清醒小鼠的體感皮層和視覺(jué)皮層中，研究人員對(duì)表達(dá)GCaMP6s的神經(jīng)元進(jìn)行了鈣成像。經(jīng)過(guò)MD-FSS校正后，神經(jīng)元胞體輪廓和側(cè)樹(shù)突清晰可辨，頂樹(shù)突細(xì)節(jié)得到極大恢復(fù)。在觸須刺激期間，鈣瞬變信號(hào)顯示出顯著改善的強(qiáng)度，并與刺激強(qiáng)烈同步。利用無(wú)慣性遠(yuǎn)程聚焦模塊，團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)同步多平面神經(jīng)元成像，揭示了觸須刺激期間頂樹(shù)突與胞體之間的同步活動(dòng)。

微血管血流動(dòng)力學(xué)與神經(jīng)血管耦合：研究還關(guān)注了微血管系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)成像。校正后，毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)清晰可辨，使得能夠通過(guò)線掃描成像測(cè)量清醒小鼠腦毛細(xì)血管中的紅細(xì)胞速度。統(tǒng)計(jì)分析表明，在同一毛細(xì)血管中，麻醉狀態(tài)下的紅細(xì)胞速度顯著增加。同時(shí)，通過(guò)神經(jīng)元活動(dòng)和血管擴(kuò)張的雙色成像，研究揭示了在刺激期間樹(shù)突神經(jīng)元活動(dòng)與穿透性小動(dòng)脈直徑之間的緊密耦合關(guān)系。在視覺(jué)刺激下，盡管神經(jīng)元反應(yīng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的方向選擇性，但小動(dòng)脈擴(kuò)張并未顯示顯著的方向選擇性。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破成像速度瓶頸
MD-FSS技術(shù)的核心突破在于解決了傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在清醒動(dòng)物成像中的速度瓶頸問(wèn)題。在清醒小鼠腦中，由于動(dòng)物運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的引導(dǎo)星偏移會(huì)嚴(yán)重破壞波前校正所需的穩(wěn)定信號(hào)。MD-FSS通過(guò)多光束并行探測(cè)和數(shù)字FFT解調(diào)，將PSF測(cè)量時(shí)間從傳統(tǒng)方法所需的數(shù)秒縮短至約0.1秒，顯著降低了對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影的敏感性，為實(shí)現(xiàn)清醒動(dòng)物高分辨率成像提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

總結(jié)與展望
本研究開(kāi)發(fā)的MD-FSS技術(shù)成功解決了在清醒活動(dòng)小鼠中進(jìn)行高分辨率腦成像的關(guān)鍵技術(shù)難題，通過(guò)快速自適應(yīng)光學(xué)校正實(shí)現(xiàn)了近乎無(wú)創(chuàng)的深層組織成像。該技術(shù)不僅顯著提升了成像速度和精度，更在多種生物應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)了其獨(dú)特價(jià)值，為研究大腦在生理狀態(tài)下的真實(shí)功能活動(dòng)提供了強(qiáng)大工具。

展望未來(lái)，MD-FSS技術(shù)具有進(jìn)一步優(yōu)化的巨大潛力。當(dāng)前八光束設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)0.1秒的PSF測(cè)量，但通過(guò)增加光束數(shù)量和應(yīng)用更先進(jìn)的射頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，測(cè)量速度有望進(jìn)一步提升。隨著硬件性能的持續(xù)改進(jìn)和算法的進(jìn)一步優(yōu)化，該技術(shù)有望在更廣泛的生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，特別是在需要高時(shí)空分辨率的活體動(dòng)態(tài)觀測(cè)場(chǎng)景中。

DOI:10.1038/s41467-025-64251-y.