美国高速高分辨率多光子显微镜成像深度

通过添加FACED模块，可以将基于标准振镜的现有2PM轻松转换为千赫兹成像系统。FACED双光子荧光显微镜遵循光栅扫描，需要很少的计算处理，在稀疏或密集的标记样本中均可以使用，并且不受串扰的影响，而且对整个图像平面采样后可以进行运动校正。实验中没有观察到光损伤的迹象，此外，子脉冲延迟到达相同的样品位置，能为荧光团提供充足的时间使其从易于破坏的暗态返回到基态，可以明显减少光漂白。使用现有的传感器，FACED双光子荧光显微镜可以提供足够的速度和灵敏度来检测神经元过程中的钙瞬变和谷氨酸瞬变，以及来自细胞体的尖峰和亚阈值电压。该组使用基于FACED的2PM显微镜，在小鼠大脑中实现了千赫兹速率的神经活动成像。在物镜平均激光功率为10-85mW下，他们测量了清醒小鼠中V1神经元的自发性和感觉诱发性的超阈值和亚阈值电位活动。精确测量细胞结构与功能，多光子显微镜技术走在科技前沿。美国高速高分辨率多光子显微镜成像深度

多光子显微镜对成像深度的改善利用红光或红外光激发，光散射小（小粒子的散射与波长的四次方的成反比）。不需要***，能更多收集来自成像截面的散射光子。***不能区分由离焦区域或焦点区发射出的散射光子，多光子在深层成像信噪比好。单光子激发所用的紫外或可见光在光束到达焦平面之前易被样品吸收而衰减，不易对深层激发。多光子荧光成像的特点。深度成像∶与共聚焦相比能更好地对厚散射物质成像。信噪比∶多光子吸收采用的波长是单光子吸收的2倍以上，所以显微试样中的瑞利散射更小，荧光测定的信噪比更高。观察活细胞∶离子测量（i.e.Ca2+），GFP，发育生物学等—减少了光毒性和光漂白，能对细胞长时间观察。激光扫描多光子显微镜单分子成像定位多光子显微镜中，极短的激光脉冲聚焦在样品上的紧密点上，激发荧光团产生图像。

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。

2020年，JianglaiWu等人提出提高2PM横向扫描速率的装置，称为FACED（free-spaceangular-chirp-enhanceddelay）。圆柱透镜将激光束一维聚焦，会聚角为Δθ。光束进入到一对几乎平行的高反射镜中，其间距为S，偏角为α。经过反射镜多次反射后，激光脉冲被分成多个传播方向不同的子脉冲（N=Δθ/α），脉冲间以2S/c的时间延迟（c，光速）回射。FACED模块输出处的子脉冲序列可以看作从虚拟光源阵列发出的光，这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成了一个空间上分离且时间延迟的焦点阵列。然后将该模块并入具有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中。光源是具有1MHz重复频率的920nm的激光器，通过FACED模块可产生80个脉冲焦点，其脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像，虚拟源越远，物镜处的光束尺寸越大，焦点越小。光束沿y轴比x轴能更好地充满物镜，从而导致x轴的横向分辨率为0.82µm，y轴的横向分辨率为0.35µm。光子显微镜可以观察生物细胞、组织、微生物、纤维等样品，具有分辨率高、成像速度快、操作简单等优点。

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。多光子显微镜可以进行深层成像，且具有三维成像的能力，可以应用于拍摄不透明的厚样品。美国高速高分辨率多光子显微镜成像深度

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。美国高速高分辨率多光子显微镜成像深度

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。美国高速高分辨率多光子显微镜成像深度