美国共聚焦多光子显微镜能量脉冲

继首代小型化双光子显微镜在国际上获得小鼠自由行为过程中大脑神经元和突触的动态图像后，我们成功研制了第二代小型化双光子显微镜。它具有更大的成像视野和三维成像能力，可以清晰稳定地对自由活动小鼠三维脑区的数千个神经元进行成像，实现对同一批神经元的一个月追踪记录。通过对微光学系统的重新设计系统的。微物镜工作距离延长至1mm，实现无创成像。内嵌可拆卸的快速轴向扫描模块，可采集深度180微米的3D体成像和多平面快速切换的实时成像。该扫描模块由一个快速的电动变焦透镜和一对中继透镜组成，在不同深度成像时可保持放大倍率恒定。其变焦模块重量，研究人员可根据实验需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探头可整体即时拔插，极大地简化了实验操作，避免了长周期实验时对动物的干扰。在重复装卸探头同一批神经元时，视场旋转角小于，边界偏差小于35微米。从双光子到三光子甚至四光子，这种非线性成像技术通常也被统称为多光子显微镜。美国共聚焦多光子显微镜能量脉冲

对于双光子成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子（3P）成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜的要求更高，它需要更快速的扫描，以便及时采样神经元活动；需要更高的脉冲能量，以便在每个像素停留时间内收集足够的信号。复杂的行为通常涉及到大型的大脑神经网络，该网络既具有局部的连接又具有远程的连接。要想将神经元活动与行为联系起来，需要同时监控非常庞大且分布普遍的神经元的活动，大脑中的神经网络会在几十毫秒内处理传入的刺激，要想了解这种快速的神经元动力学，就需要MPM具备对神经元进行快速成像的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。美国布鲁克多光子显微镜成像区域多光子显微镜市场集中，由于投产生产的成本较高，技术难度大，目前涌现的新企业不多。

国内显微镜制造市场目前断层严重。目前我国显微镜行业发展缺乏技术沉淀，20年以上经营积累的企业十分稀缺，深度精密制造、光学主要部件设计及工艺严重制约产业升级。目前中国显微镜中如多光子显微镜、共聚焦扫描和电子显微镜等主要集中在徕卡显微系统、蔡司、尼康、奥林巴斯等国外企业。国内具备生产显微镜能力的企业屈指可数，若国内显微镜企业能打破技术壁垒，切入显微镜市场，企业的生产经营将腾跃至一个更高的格局。未来国产多光子激光扫描显微镜替代空间大。目前中国使用的多光子激光扫描显微镜几乎被徕卡显微系统、蔡司、尼康和奥林巴斯垄断。国内有能力开始生产多光子激光扫描显微镜的企业极少，若国内能够制造出高性能、高可靠性的多光子激光扫描显微镜，无异是会面临极大的市场机遇。

快速光栅扫描有多种实现方式，使用振镜进行快速2D扫描，将振镜和可调电动透镜结合在一起进行快速3D扫描，但可调电动透镜由于机械惯性的限制在轴向无法快速进行焦点切换，影响成像速度，现可使用空间光调制器（SLM）代替。远程聚焦也是一种实现3D成像的手段，如图2所示。在LSU模块中，扫描振镜进行横向扫描，ASU模块包括物镜L1和反射镜M，通过调控M的位置实现轴向扫描。该技术不仅可以校正主物镜L2引入的光学像差，还可以进行快速的轴向扫描。想要获得更多神经元成像，可以通过调整显微镜的物镜设计来扩大FOV，但是具有大NA和大FOV的物镜通常重量较大，无法快速移动以进行快速轴向扫描，因此大型FOV系统依赖于远程聚焦、SLM和可调电动透镜。多光子激光扫描显微镜采用波长较长的红外激光,能量脉冲式激发,红外光比可见光在生物组织中的穿透力更强。

2020年，TonmoyChakraborty等人提出了加速2PM轴向扫描速度的方法[2]。在光学显微镜中，物镜或样品缓慢的轴向扫描速度限制了体成像的速度。近年来，通过使用远程聚焦技术或电调谐透镜(ETL)已经实现了快速轴向扫描。但远程对焦时对反射镜的机械驱动会限制轴向扫描速度，ETL会引入球差和高阶像差，无法进行高分辨率成像。为了克服这些限制，该小组引入了一种新的光学设计，可以将横向扫描转换为无球面像差的轴向扫描，以实现高分辨率成像。有两种方法可以实现这种设计。***个可以执行离散的轴向扫描，另一个可以执行连续的轴向扫描。如图3a所示，特定装置由两个垂直臂组成，每个臂具有4F望远镜和物镜。远程聚焦臂由振镜扫描镜(GSM)和空气物镜(OBJ1)组成，另一个臂(称为照明臂)由浸没物镜(OBJ2)组成。两个臂对齐，使得GSM与两个物镜的后焦平面共轭。准直后的激光束经偏振分束器反射进入远程聚焦臂，由GSM进行扫描，使OBJ1产生的激光焦点可以进行水平扫描。从产品类型及技术方面来看，正置显微镜占据绝大多数市场。美国共聚焦多光子显微镜能量脉冲

利用多光子显微镜的光遗传学操作能力，我们可以对某类神经元的ji活和失活进行高精度的操作。美国共聚焦多光子显微镜能量脉冲

比较两表格中的相关参数可以看出，基于分子光学标记的成像技术已经在生物活检和基因表达规律方面展示了较大的优势。例如，正电子发射断层成像（PET）可实现对分子代谢的成像，空间分辨率∶1-2mm，时间分辨率;分钟量级。与PET比较，光学成像的应用场合更广（可测量更多的参数，请参见表1-1），且具有更高的时间分辨率（秒级），空间分辨率可达到微米。因此，二者相比，虽然光学成像在测量深度方面不及PET，但在测量参数种类与时空分辨率方面有一定优势。对于小动物（如小白鼠）研究来说，光学成像技术可以实现小动物整体成像和在体基因表达成像。例如，初步研究表明，荧光介导层析成像可达到近10cm的测量深度;基于多光子激发的显微成像技术可望实现小鼠体内基因表达的实时在体成像。美国共聚焦多光子显微镜能量脉冲

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