Nat Commun丨瞿佳男实验室报道用于清醒行为小鼠深部活体脑成像的快速自适应光学技术

香港科技大学电子工程系研究人员通过开发一种名为“多路复用数字聚焦测量与整形”（MD-FSS）的快速自适应光学（AO）技术，实现了多光子显微技术的突破。该技术能够以近乎无创的方式，对清醒、行为中的动物大脑进行高分辨率成像。通过实时校正光散射、像差和运动伪影，这一新方法为在自然生理条件下研究大脑活动开辟了崭新的窗口。该研究题为

Rapid adaptive optics enabling near noninvasive high-resolution brain imaging in awake behaving mice

1.神经科学研究的根本性技术挑战

长期以来，脑组织中的光散射和像差严重限制了高分辨率深层组织成像的能力。自适应光学技术源自天文学，可用于校正此类畸变，但通常需要在麻醉状态下进行，依靠头部固定来减少运动伪影。然而，麻醉会显著改变血流、胶质细胞行为及神经元活动。因此，克服这一障碍一直是神经科学界的核心目标。此前，该研究团队在2022年发表于《自然·生物技术》的ALPHA-FSS技术中，已首次利用三光子显微镜实现了通过完整颅骨的精确像差校正。然而，由于三光子激发受光子通量限制，每次测量需数秒钟，导致该系统无法适用于清醒动物。

MD-FSS的突破远非渐进式改进，而是质的飞跃。它保留了直接聚焦测量的思想，但通过将多个弱光束与一个强参考光束进行多路复用，并利用数字相位解调技术重构畸变的点扩散函数，大幅提升了性能。这一并行化传感机制将数据采集时间缩短至仅0.1秒，足以在自然运动过程中实时校正像差。

2.在清醒小鼠大脑中的新发现

应用MD-FSS技术揭示了此前无法获得的显著生物学现象。

小胶质细胞功能

针对免疫细胞的实验表明，清醒小鼠中的小胶质细胞形态更为紧凑，而麻醉则导致其突起扩张和分支增多。麻醉状态下小胶质细胞的运动性与清醒小鼠也显著不同，表明其功能存在差异。在接受脂多糖（LPS）系统性免疫刺激后，MD-FSS实现了小胶质细胞向血管迁移和突起回缩的实时成像。

神经元活动

在GCaMP表达小鼠中，该系统能清晰分辨树突的精细结构，并显著提高了体感皮层和视皮层中钙信号提取的可靠性。在胡须刺激期间，仅在自适应光学校正后才可测量到顶端树突的反应。在视觉任务中，高分辨率成像揭示了神经元及其树突投射的方向选择性响应。

血液循环

MD-FSS还实现了前所未有的微血管血流动力学清晰度。校正后的毛细血管边界清晰锐利，结合线扫描成像，可精确计算红细胞流速。清醒与麻醉状态的对比表明，异氟烷麻醉显著提高了血流速度，证实了其对血管系统的深远影响。

神经血管耦合

通过结合神经元与血管的多色成像，MD-FSS揭示了神经活动与血流之间精细的相互作用。在体感皮层，树突钙信号与胡须刺激时的小动脉扩张高度同步；在视皮层，树突表现出强烈的方向选择性，而关联血管则无选择性扩张，表明单根小动脉可同时支持具有不同偏好性质的神经元群。

3.可扩展性与应用前景

MD FSS的另一大优势在于其卓越的可扩展性。当前系统使用八个弱光束进行多路复用传感，但随着空间光调制器和声光偏转器技术的进步，未来可支持数十光束。光束数量增加将使校正速度更快、成像帧率更高、视野更广，从而有望实现对大面积皮层及多个脑区的同时近实时自适应光学校正。随着光学硬件的持续发展，MD-FSS平台也将随之升级。未来版本有望捕捉快速神经事件、监测大规模神经环路活动，并追踪疾病进程的动态演变，开启以往技术无法实现的全新研究方向。

MD-FSS通过实现清醒动物的高分辨率、近无创成像，为神经科学引入了全新维度。该系统使研究人员能够评估小胶质细胞动态、神经信号传导和血管反应在自然生理状态下的真实表现，从而更精准地揭示感知、神经炎症与神经血管交互等基础脑功能的本质机制。

由于MD-FSS可无缝兼容标准双光子显微镜，因此可迅速在全球神经科学实验室中推广应用。其明确揭示出麻醉显著改变小胶质细胞、神经元和血管的生理状态，凸显了清醒成像的迫切需求。借助MD FSS，研究人员现在能够在自然行为中捕捉脑信号传导与血液循环的亚细胞细节，这将为整个神经科学与医学领域带来新机遇。

本文共同第一作者为博士生佘镇涛和傅奕铭，通讯作者为秦仲亚博士和瞿佳男教授。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64251-y

制版人： 十一

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