通過特定的校正物鏡來補(bǔ)償GRIN透鏡的像差從而提升成像質(zhì)量與通量

在神經(jīng)科學(xué)研究中，光學(xué)成像技術(shù)因其高靈敏度和優(yōu)異的時空分辨率而被廣泛應(yīng)用，然而哺乳動物大腦中光散射嚴(yán)重限制了其成像深度。目前，植入小型梯度折射率（GRIN）透鏡已成為深部腦區(qū)光學(xué)成像的主要手段，但GRIN透鏡存在嚴(yán)重的像差問題，導(dǎo)致成像視場小、分辨率低，制約了其應(yīng)用潛力。針對這一挑戰(zhàn)，本研究提出了一種易于實施的解決方案——通過專門設(shè)計的校正物鏡來補(bǔ)償GRIN透鏡的像差，從而顯著提升成像質(zhì)量與通量。該校正物鏡能夠?qū)⒊上褚晥鰯U(kuò)大約400%，使研究人員能夠在活體小鼠深部腦區(qū)實現(xiàn)超過1000個神經(jīng)元的大范圍三維鈣信號記錄。這一技術(shù)無需復(fù)雜系統(tǒng)改造，僅需替換傳統(tǒng)雙光子顯微鏡的物鏡即可實現(xiàn)高性能成像，極大降低了使用門檻。

本研究成果由Zongyue Cheng、Yuting Li、Jianian Lin與Meng Cui共同完成，論文題為“Large field-of-view volumetric deep brain imaging through gradient-index lenses”，于2025年10月在《Nature Communications》期刊上在線發(fā)表。該研究為深部腦區(qū)大規(guī)模神經(jīng)元活動監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的工具，有望推動神經(jīng)系統(tǒng)環(huán)路機(jī)制研究的進(jìn)一步發(fā)展。

重要發(fā)現(xiàn)
01GRIN透鏡的像差挑戰(zhàn)與校正策略
梯度折射率透鏡因其緊湊的尺寸成為深腦光學(xué)記錄的關(guān)鍵工具，但其固有的高階像差（尤其是四階像差）導(dǎo)致成像視場嚴(yán)重受限。常規(guī)物鏡僅能在GRIN透鏡中心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量聚焦，邊緣區(qū)域則出現(xiàn)分辨率下降和信號強(qiáng)度衰減，有效成像面積通常不足透鏡端面的10%。這種像差具有空間變化特性，難以通過傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行實時補(bǔ)償，尤其無法滿足高速鈣成像（線掃描速率達(dá)24 kHz）對通量的要求。

03活體結(jié)構(gòu)成像驗證視場擴(kuò)展效果
在活體Thy1-eGFP轉(zhuǎn)基因小鼠海馬CA1區(qū)的成像實驗中，校正物鏡展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。常規(guī)物鏡僅在直徑約160微米的中心區(qū)域能分辨細(xì)胞形態(tài)，而校正物鏡將細(xì)胞分辨率成像范圍擴(kuò)展至直徑約400微米，覆蓋GRIN透鏡端面的80%。在視場邊緣，校正物鏡甚至能清晰分辨樹突結(jié)構(gòu)，而常規(guī)物鏡僅能獲得模糊團(tuán)塊。

創(chuàng)新與亮點
01突破成像視場限制的技術(shù)革新
本研究最顯著的創(chuàng)新在于通過物鏡級像差校正，將GRIN透鏡的可用成像視場從不足透鏡直徑的1/3擴(kuò)展至80%，面積增加400%以上。這種設(shè)計巧妙地規(guī)避了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)波前調(diào)制速度不足的瓶頸，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)高速掃描系統(tǒng)完全兼容的大視場體積成像。與需要復(fù)雜硬件改造的幾何變換自適應(yīng)光學(xué)（GTAO）相比，該方法僅需替換物鏡，極大降低了技術(shù)門檻。

02簡化系統(tǒng)集成推動技術(shù)普及
校正物鏡采用標(biāo)準(zhǔn)M27×0.75螺紋接口，重量僅43克，可直接搭載于常規(guī)壓電位移臺，無需改變顯微鏡光路或掃描架構(gòu)。這種“即插即用”的特性使神經(jīng)科學(xué)實驗室無需專門光學(xué)工程支持即可實現(xiàn)高性能深腦成像，顯著提升了方法的可及性和重復(fù)性。

03為多模態(tài)關(guān)聯(lián)成像提供新可能
大視場體積成像為在體記錄與離體分子標(biāo)記的關(guān)聯(lián)研究奠定了基礎(chǔ)。盡管GRIN透鏡存在場曲，但通過數(shù)字校正仍可實現(xiàn)三維空間定位。未來若在物鏡設(shè)計中進(jìn)一步補(bǔ)償場曲，將簡化圖像配準(zhǔn)流程，提升神經(jīng)活動與分子身份關(guān)聯(lián)研究的通量和成功率。

總結(jié)與展望
本研究開發(fā)的校正物鏡為解決GRIN透鏡像差問題提供了簡潔而高效的方案，成功將深部腦區(qū)光學(xué)成像的視場和通量提升至新高度。其輕量化的設(shè)計與簡易的操作流程十分有利于在神經(jīng)科學(xué)社區(qū)中廣泛推廣，為研究大腦深部區(qū)域的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動提供了強(qiáng)大工具。展望未來，研究團(tuán)隊計劃在兩方面進(jìn)一步優(yōu)化物鏡性能：一是提高熒光收集數(shù)值孔徑（目前為0.63），以提升信號收集效率并降低激發(fā)光功率；二是補(bǔ)償GRIN透鏡的固有場曲，實現(xiàn)平坦視場體積成像，從而更好地匹配圓柱形腦組織區(qū)域并簡化多模態(tài)圖像配準(zhǔn)流程。這一技術(shù)的發(fā)展將不斷拓展我們在體觀測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的邊界，為理解大腦功能機(jī)制提供更豐富的數(shù)據(jù)支撐。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Cheng Z, Li Y, Lin J, Cui M. Large field-of-view volumetric deep brain imaging through gradient-index lenses. Nat Commun. 2025 Oct 27;16(1):9465

DOI:10.1038/s41467-025-64529-1.