雙模態(tài)顯微鏡在自然行為狀態(tài)下研究神經(jīng)活動與血管響應(yīng)的耦合機制

本文介紹了一項突破性的神經(jīng)血管耦合研究技術(shù)，該技術(shù)通過集成共聚焦熒光顯微鏡（CFM）與光聲顯微鏡（PAM），開發(fā)出一種僅重1.7克的超輕型頭戴式雙模態(tài)顯微鏡。該系統(tǒng)可在自由活動的小鼠中以高達0.78赫茲的幀率和1.5微米的橫向分辨率，同步捕捉神經(jīng)元鈣活動及腦血管的血氧飽和度、血紅蛋白濃度等多參數(shù)血流動力學(xué)信息。這一技術(shù)填補了以往頭戴式設(shè)備在血流功能性成像，特別是血氧監(jiān)測方面的空白，為在自然行為狀態(tài)下研究神經(jīng)活動與血管響應(yīng)的耦合機制提供了全新工具。

該研究由Ningbo Chen、Zhiqiang Xu、Zheng Song等學(xué)者共同完成，研究成果以題為“Simultaneous head-mounted imaging of neural and hemodynamic activities at high spatiotemporal resolution in freely behaving mice”的論文形式，于2025年3月在國際知名期刊《SCIENCE ADVANCES》上發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01雙模態(tài)成像系統(tǒng)的設(shè)計與性能
本研究核心為一種高度集成化的頭戴式顯微鏡，其光學(xué)系統(tǒng)巧妙地將共聚焦熒光成像與光聲成像融為一體。系統(tǒng)使用單根單模光纖傳輸488納米連續(xù)波激光（用于激發(fā)GCaMP6s鈣指示劑）和558/570納米雙波長脈沖激光（用于光聲成像），不僅簡化了光路結(jié)構(gòu)，還大幅減輕了探頭重量。通過高數(shù)值孔徑（NA=0.5）的微型物鏡和基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的二維掃描鏡，系統(tǒng)實現(xiàn)了400x400微米視野范圍內(nèi)1.5微米的高空間分辨率。其最關(guān)鍵創(chuàng)新在于采用了一個尺寸僅為0.4x0.5x0.25毫米的扁平高頻超聲換能器（中心頻率55 MHz），無需傳統(tǒng)的光聲束組合器即實現(xiàn)了高靈敏度光聲信號檢測，從而保證了探頭的輕量化與緊湊性。

創(chuàng)新與亮點
01突破性的技術(shù)集成難題
本研究最顯著的創(chuàng)新在于成功解決了多年來的技術(shù)瓶頸——將高分辨率光聲成像能力集成至超輕量級的頭戴式設(shè)備中。傳統(tǒng)上，實現(xiàn)光聲/熒光雙模態(tài)成像需依賴笨重的光學(xué)-聲學(xué)束組合器或針式超聲換能器，嚴(yán)重限制了其在自由移動動物中的應(yīng)用。本研究通過自主研發(fā)的毫米級扁平超聲換能器，徹底摒棄了傳統(tǒng)組合器，不僅將探頭總重降至1.7克，還消除了對額外檢測光纖的依賴，顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和便攜性。

02引領(lǐng)多模態(tài)成像進入自由行為新紀(jì)元
該技術(shù)標(biāo)志著神經(jīng)科學(xué)研究范式的一次重要演進。它首次使得在自由行為狀態(tài)下，無創(chuàng)、同步地以細胞分辨率“看到”神經(jīng)電活動急速變化的同時“看清”血管的血氧與結(jié)構(gòu)動態(tài)成為現(xiàn)實。這擺脫了傳統(tǒng)顯微鏡對麻醉或頭部固定的依賴，避免了這些狀態(tài)對神經(jīng)血管活動的干擾，從而能揭示在自然行為中更真實、更全面的腦功能機制。

03為腦疾病機制研究與干預(yù)提供全新視角
該顯微鏡的價值遠超技術(shù)本身。它提供的全新數(shù)據(jù)維度（神經(jīng)元活動+血管氧代謝+血管管徑）為解析多種腦疾病的病理機制打開了新窗口。例如，在癲癇研究中發(fā)現(xiàn)的“氧耗-血管擴張”先于“神經(jīng)元爆發(fā)”的規(guī)律，不僅深化了對癲癇發(fā)生機制的理解，更可能為開發(fā)基于血流動力學(xué)信號的早期預(yù)警與干預(yù)策略提供關(guān)鍵依據(jù)。未來，該技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于中風(fēng)、偏頭痛、阿爾茨海默病等神經(jīng)血管耦合異常疾病的研究與新藥研發(fā)中。

總結(jié)與展望
本研究成功開發(fā)并驗證了一種革命性的頭戴式雙模態(tài)顯微鏡，它完美融合了共聚焦熒光顯微鏡與光聲顯微鏡的技術(shù)優(yōu)勢，以微型化、高分辨、多參數(shù)同步采集的能力，開創(chuàng)了在自由行為動物中研究神經(jīng)血管耦合的新紀(jì)元。透過該系統(tǒng)，我們得以窺見大腦在缺氧、感覺刺激、癲癇等多種狀態(tài)下的精細動態(tài)變化，獲得了許多以往無法企及的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。

展望未來，該技術(shù)平臺仍具巨大進化潛力，例如通過集成可擴展的超聲換能器陣列以擴大視野、引入Z軸掃描模塊以實現(xiàn)三維體積成像、或結(jié)合更先進的計算成像算法來進一步提升成像速度與質(zhì)量。我們堅信，這一技術(shù)將成為神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程乃至臨床前研究領(lǐng)域的強大工具，持續(xù)推動我們對大腦奧秘的探索，最終為理解乃至攻克一系列神經(jīng)疾病點亮前路。

DOI:10.1126/sciadv.adu1153.