北京脑所吴江来实验室打造至简微型双光子显微镜，赋能自由活动小鼠高清高通量神经成像

　　RESEARCH PROGRESS

　　2025年11月29日，北京脑科学与类脑研究所吴江来实验室在Nature Communications上发表题为High-throughput two-photon volumetric brain imaging in freely moving mice的文章。该研究首次将贝塞尔光束引入微型双光子显微镜中，实现了自由活动小鼠神经活动的高分辨率高通量体积成像。

　　微型双光子显微镜凭借其光学层切能力和深层组织穿透性，为研究自由活动小鼠的神经活动提供了独特优势。在传统双光子显微成像领域，相比于广泛使用的高斯光束成像，贝塞尔光束具有其独特的优势：首先，贝塞尔光束通过在二维平面上扫描一个轴向延长的焦点，将需要逐层扫描的样品三维信息转化为轴向压缩后的二维图像，提高了体积成像速率；同时，扩展的景深能够更好地抵抗成像过程中动物自由活动带来的轴向运动伪影；此外，与高斯光束相比，贝塞尔光束具有更高的横向分辨率，并且对球差、慧差等光学像差不敏感，有利于简化微型显微镜的光学设计。

图1 微型贝塞尔双光子显微镜示意图

　　基于上述特性，研究团队通过将贝塞尔光束引入微型双光子显微镜中，开发了具有高通量体积成像功能的微型贝塞尔双光子显微镜（图1）。具体地，研究团队采用大模场光子晶体光纤，并在其端面设计加工了微型锥透镜，用于将激光器产生的高斯光束转化为贝塞尔光束，并传入微型显微镜中；光束经由自主设计的简易扫描光路与微型物镜，在样品焦平面上形成轴向延长的焦点；受激的荧光信号经由微型探测器转化为电信号，并通过同轴线缆传输，用于生成神经元活动图像。

　　视频1 自由活动小鼠M2脑区神经元钙信号活动

　　应用自主研制的微型贝塞尔双光子显微镜，研究团队对自由活动状态下小鼠的神经钙信号活动进行了成像。研究团队在420 × 420 × 80 μm³的三维体积中，同时记录到了近千个神经元的活动（视频1）。此外，研究团队还追踪了自由活动状态下小鼠树突/树突棘结构的活动（视频2）。

　　视频2 自由活动小鼠ACC脑区树突/树突棘钙信号活动

　　本研究研制的微型贝塞尔双光子显微镜，不仅具备高清高通量的成像性能，也因其结构简单的设计而具备了更低的制造成本与更高的可推广性。其简单的光学设计使团队能够自主完成镜头组装，通过简易光学校准即可实现衍射极限分辨率，摆脱了传统精密物镜复杂昂贵的制造装配流程。研究团队希望，微型贝塞尔双光子显微镜能够大幅降低微型双光子显微镜的使用门槛，推动其所在神经生物学领域的广泛应用，其独特的光学理念也可以为发展下一代微型高通量显微成像系统提供重要启发。