Недавно команда профессора У Рунлуна из Пекинского университета информационных технологий объединилась с командой профессора Сяо Шумина из Харбинского технологического университета, командой доцента Ван Айминя из Пекинского университета и командой профессора Фэн Лишуана из Пекинского университета аэронавтики и астронавтики, успешно разработала второе поколение композитного сверхлинзового миниатюрного двухфотонного микроскопа (Meta - m2PM 2.0), впервые реализовала ультралинзовую миниатюрную двухфотонную микроскопию свободного действия с высоким коэффициентом сигнала и шума изображения нейронов мышей. Соответствующие результаты показывают, что суперлинза больше не является просто лабораторной концепцией, но может поддерживать высокое качество, естественное поведение животных в условиях функциональной визуализации мозга, способствовать развитию биомедицинских изображений. Исследование Compound metalens - based miniature two - photon microscope for large - Fov imaging in freely behaving animals было опубликовано в PhotoniX (5 - летний средний фактор воздействия 19.3).

Снимок статьи

Миниатюрный двухфотонный микроскоп стал важным инструментом в исследованиях мозга для анализа активности нейронов мозга животных в свободном поведении. В настоящее время высокопроизводительный миниатюрный двухфотонный микроскоп достиг высокого пространственно - временного разрешения, большого поля зрения, многоцветной визуализации и других прорывов^[1-3]Тем не менее, существующие высокопроизводительные миниатюрные двухфотонные микроскопы по - прежнему сталкиваются с проблемой « несовместимости рыб и медвежьих лап» - трудно сбалансировать высокие характеристики изображения с дальнейшей легкостью зонда: их вес обычно превышает 2 г (например, FHIRM - TPM весит 2,15 г)^[1]ФИРМ-ТПМ 2.0 重2.45g^[2]ФХИРМ-ТПМ 3.0 重2.6g^[3]、 UCLA 2P Miniscope весит около 4 г^[4]Таким образом, его трудно применять к многозональным наблюдениям за малыми животными, чувствительными к весу, такими как певчие птицы, летучие мыши, молодые мыши и мелкие животные.

Технология сверхлинз дает возможность преодолеть это узкое место, благодаря преимуществам сверхтонкой, высокой численной апертуры и гибкой конструкции коррекции аберрации, она предоставляет новые идеи для миниатюрной микроскопической оптической системы. Однако миниатюрный двухфотонный микроскоп, ранее разработанный на основе одной сверхлинзы, трудно решить проблему ограниченного поля зрения и большой внеосевой аберрации, что значительно ограничивает его практическое применение.

Команда проекта разработала композитную гиперлинзовую архитектуру « вторичной визуализации» (рисунок 1a, b), которая развязывает сканирование с функцией фокусировки, разрушая цепь баланса между весом, полем зрения и разрешением традиционной миниатюрной архитектуры визуализации и предлагая новый подход к многомозговой визуализации свободных животных.

Рисунок 1 Структура и конструкция Meta - m2PM 2.0: a) схема композитной суперлинзовой архитектуры для реализации двухуровневой системы визуализации. D - диаметр падающего лазерного луча; MEMS - микромеханические системы; FOVimage - поле зрения на фокальной плоскости; Фокусное расстояние для сканирующей линзы; Альфа - угол наклона MEMS; Тета - угол двухосного сканирования MEMS. (b) Форма и световая схема компонентов зонда Meta - m2PM 2.0. HC - 920 - волокно с пустым сердечником для передачи 920 нм; SFB - гибкий волоконно - оптический луч

Объединенная команда далее разработала для двухфотонных поляризационных нечувствительных соотношений высокой глубины и ширины Si₃Н₄Метаклеточная библиотека, благодаря синергическому проектированию двухслойного сверхлинзового объектива и широкоугольного гиперлинзового сканирующего зеркала (рис. 2a, b), обеспечивает двухдиапазонную оптимизацию излучения возбуждения 920 нм и сбора флуоресценции 500 - 560 нм, что позволяет уменьшить вес объектива до одной десятой от обычного миниатюрного объектива, а вес зонда составляет всего 1,06 г (рис. 2c, d). Новое поколение композитных сверхлинз миниатюрный двухфотонный микроскоп сделал ряд прорывов: поле зрения расширилось до 350 × 330 мкм²Увеличение более чем в 50 раз по сравнению с первым поколением; Центральное поперечное разрешение составляет 1,17 мкм, что позволяет поддерживать более 80% разрешения даже на краю поля зрения; Кроме того, команда четко зафиксировала тонкую структуру аксонов живых мышей и изображение длительной активности нейронов на глубине 210 мкм (рисунок 2e).

Рисунок 2 Подготовка гиперлинзы и тест на производительность зонда: (a) схема отдельных ячеек. H - высота (1500 нм); L - длина (90 - 350 нм); P - цикл (400 нм). (b) изображения с помощью сканирующей электронной микроскопии, подготовленные с помощью суперлинз: (i) положительный вид; (ii) Центральный регион; (iii) Краевые области. (c) Ультралинзовые объективы (MO, вес 0,05 г) и объективы FHIRM - TPM 3.0 - U (3,0 - U, вес 0,5 г) фото. (d) Фотографии компонентов зонда Meta - m2PM 2.0. (e) Рисунок слева: Структурное изображение коры M1 у генетически модифицированных мышей Thy1 - YFPH с фиксированной головой на глубине 154 мкм. Справа: изображение кальция кортикальных нейронов M1 у мышей, экспрессирующих GCaMP6f на глубине 210 мкм

В эксперименте по визуализации мозга у мышей со свободным поведением команда стабильно отслеживала активность кальция в более чем 100 нейронах, достигая соотношения сигнала и шума 7,6 и отслеживая одну и ту же партию нейронов в течение длительного времени (рис. 3a - c). Благодаря конструкции сверхлегкого зонда 1,06 г инерционный эффект Meta - m2PM 2.0 значительно снизился по сравнению с миниатюрным двухфотонным микроскопом в прошлом и улучшил стабильность: 90% смещения поля зрения менее 5 мкм в краткосрочных тестах на стабильность и не более 10 мкм при длительных наблюдениях в течение дня (рис. 3d, e).

Рисунок 3 Применение кальциевых изображений свободных мышей Meta - m2PM 2.0: (a) слева: фото мышей с Meta - m2PM 2.0; Справа: 12 - минутная траектория движения мыши. (b) слева: изображение глубины 190 мкм коры M1 у свободно активных мышей; Справа: диаграмма деления 122 нейронов. (c) Коэффициент сигнала / шума (SNR), регистрирующий переходные изменения кальция в нейронах в течение 12 минут. (d) Изображение одного и того же поля зрения коры M1 в разное время суток с помощью круга, обозначающего часть одного и того же нейрона, повторно идентифицированного в различных экспериментах. (e) Краткосрочная и долгосрочная стабильность изображения. Слева: Краткосрочный анализ устойчивости смещения поля зрения в направлении x и y в восьми экспериментах (каждый > 600 s) на трех мышах в условиях свободного исследования открытого поля; Справа: соответствует долгосрочному смещению поля зрения эксперимента в (d)

Благодаря глубокому слиянию композитной сверхлинзовой технологии с миниатюрной двухфотонной микроскопической технологией, результаты исследования успешно достигли прорыва в сверхлегком весе, большом поле зрения, глубокой коре и высоком разрешении. Дальнейшая практическая реализация технологии суперлинз, первая реализация ультралинзовой миниатюрной двухфотонной микроскопии свободного действия функциональной визуализации мозга животных.

В будущем исследования в области технологии гиперлинз будут дополнительно расширены до анализа нейронных сетей, таких как полихроматическая визуализация свободного поведения, синхронное наблюдение за несколькими областями мозга, межвидовые (летучие мыши, птицы, грызуны раннего возраста) исследования, и, как ожидается, будут играть важную роль в анализе когнитивных принципов мозга, ранней диагностике заболеваний мозга и оценке нейролекарств.

Первым автором этого документа являются Хао Цзэюй и Чжан Яо из Харбинского технологического университета (Шэньчжэнь), совместно подготовленные Пекинским университетом аэронавтики и астронавтики и Пекинским университетом информационных технологий; Соавторами сообщения являются профессор У Рунлун из Пекинского университета информационных технологий, профессор Сяо Шумин из Харбинского технологического университета и доцент Ван Аймин из Пекинского университета. Профессор Ву Рунлун отвечает за общую концепцию исследовательского проекта и руководит проектированием и строительством основной оптической системы; Профессор Сяо Шумин руководит проектированием и оптимизацией гиперлинз; Профессор Ван Аймин оказал ключевую техническую поддержку эксперименту по биовизуализации. Проект получил финансовую поддержку от крупного проекта 2030 « Наука о мозге и исследования мозга - типа», Пекинской лаборатории биомедицинской визуализации, Национального фонда естественных наук, Пекинского фонда естественных наук и Шэньчжэньского проекта фундаментальных исследований.

[Оригинальная ссылка]

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Миниатюрный двухфотонный микроскоп на основе соединенных металенов для изображения большого FOV у свободно ведущихся животных. PhotoniX 6, 57 (2025).https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

[Ссылки]

1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J и др. Быстрая миниатюрная двухфотонная микроскопия с высоким разрешением для визуализации мозга у свободно ведущихся мышей. Нат Методы. 2017; 14(7):713–9.

2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z и др. Миниатюрная двухфотонная микроскопия для увеличенного поля зрения, многоплановой и долгосрочной визуализации мозга. Нат Методы. 2021; 18(1):46–9.

3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q и др. Универсальный миниатюрный двухфотонный микроскоп, позволяющий многоцветное глубокое изображение мозга. Нат Методы. 2025; 22:1935-1943.

4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Открытый исходный код, высокопроизводительные миниатюрные 2-фотонные микроскопические системы для свободно ведущихся животных. Нат Коммун. 2025; 16(1):7125.