PhotoniX | 1g復合超透鏡微型化雙光子顯微鏡問世：解鎖幼小動物自由行為大腦成像新方法

近日，北京信息科技大學吳潤龍教授團隊聯合哈爾濱工業大學肖淑敏教授團隊、北京大學王愛民副教授團隊和北京航空航天大學馮麗爽教授團隊，成功研制出第二代復合超透鏡微型化雙光子顯微鏡（Meta-m2PM 2.0），首次實現超透鏡微型化雙光子顯微鏡自由行為小鼠神經元高信噪比成像。相關結果表明，超透鏡不再只是實驗室概念，而已能支撐高質量、動物自然行為條件下的腦功能成像，助力生物醫學影像發展。研究論文《Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals》在《PhotoniX》(5年平均影響因子19.3)在線發表。

論文上線截圖

微型化雙光子顯微鏡已成為腦科學研究中，解析自由行為狀態下動物大腦神經元活動的重要工具。當前，高性能微型化雙光子顯微鏡已實現高時空分辨率、大視場、多色成像等突破 ^[1-3]。然而，已有的高性能微型化雙光子顯微鏡仍面臨“魚和熊掌不可兼得”的難題——難以兼顧高成像性能與探頭的進一步輕量化：其重量普遍大于2g(如FHIRM-TPM重2.15g ^[1]、FHIRM-TPM 2.0重2.45g ^[2]、FHIRM-TPM 3.0重2.6g ^[3]、UCLA 2P Miniscope重約4g ^[4])，因此，難以應用到重量敏感的小型動物如鳴鳥、蝙蝠、幼鼠以及小動物的多腦區觀測中。

超透鏡技術為突破這一瓶頸提供了可能，其憑借超輕薄、高數值孔徑、可靈活設計像差校正等優勢，為微型化顯微鏡光學系統提供了新思路。但此前基于單一超透鏡設計的微型化雙光子顯微鏡，難以解決視場受限、軸外像差大的問題，極大地限制了其實際應用。

項目團隊設計了“二次成像”的復合超透鏡架構(圖1a, b)，將掃描與聚焦功能解耦，打破了傳統微型化成像架構在重量、視場和分辨率之間的平衡枷鎖，為自由活動動物的多腦區成像提供新方法。

圖1 Meta-m2PM 2.0的結構與設計：(a) 實現兩級成像系統的復合超構透鏡架構示意圖。D為入射激光束直徑；MEMS為微機電系統；FOVimage為焦平面處的視場；fscan為掃描透鏡的焦距；α為MEMS傾斜角；θ為MEMS雙軸掃描角。(b) Meta-m2PM 2.0探頭組件的外形與光路示意。HC-920為用于920 nm傳輸的空芯光纖；SFB為柔性光纖束

聯合團隊進一步設計了應用于雙光子的偏振不敏感的高深寬比Si₃N₄元胞庫，通過雙層超透鏡物鏡與大角度超透鏡掃描鏡的協同設計(圖2a, b)，實現 920nm 激發光與500-560nm熒光收集的雙波段優化，使得物鏡重量降低至傳統微型化物鏡的十分之一，探頭重量僅1.06g(圖2c, d)。新一代復合超透鏡微型化雙光子顯微鏡實現了多項突破：視場擴大至 350×330 µm²，較第一代提升 50 倍以上；中心橫向分辨率達1.17µm，即便在視場邊緣也能保持80%以上的分辨率；并且，研究團隊清晰捕捉到活體小鼠的精細軸突結構和深度210µm處的神經元長時間活動成像(圖2e)。

圖2 超透鏡制備與探頭性能測試：(a) 單個元胞的示意圖。H為高度 (1,500nm)；L為長度 (90–350nm)；P為周期 (400nm)。(b) 制備的超構透鏡的掃描電子顯微鏡圖像：(i) 正視圖；(ii) 中心區域；(iii) 邊緣區域。(c) 超透鏡物鏡(MO，重0.05 g)與 FHIRM-TPM 3.0-U物鏡(3.0-U，重0.5 g)照片。(d) Meta-m2PM 2.0探頭組件照片。(e) 左圖：頭部固定的Thy1-YFPH轉基因小鼠在154 μm深度處M1皮層的結構成像。右圖：在210 μm深度處，表達GCaMP6f 的小鼠M1皮層神經元鈣成像

在自由行為小鼠腦成像實驗中，研究團隊穩定追蹤百余個神經元的鈣活動，實現了信噪比達7.6，且可長期追蹤同一批神經元(圖3 a-c)。得益于1.06g 的超輕探頭設計，相比過去的微型化雙光子顯微鏡，Meta-m2PM 2.0的慣性效應大幅降低，穩定性提升：在短期穩定性測試中90%的視場位移小于5 µm，跨天長期觀測時位移不超過10 µm(圖3d, e)。

圖3應用Meta-m2PM 2.0自由活動小鼠的鈣成像：(a) 左：佩戴Meta-m2PM 2.0小鼠的照片；右：12分鐘小鼠運動軌跡。(b) 左：在自由活動小鼠M1皮層190μm深度圖像；右：122個神經元的分割圖。(c) 12分鐘記錄期間神經元鈣瞬變的信噪比(SNR)。 (d) 不同天數對M1皮層相同視場進行成像，圓圈標示在不同實驗中重復識別到的部分相同神經元。(e) 成像的短期與長期穩定性。左：三只小鼠在開放場自由探索條件下進行的8次實驗(每次>600s)中，x與 y方向視場位移的短期穩定性分析；右：對應于(d)中實驗的長期視場位移

該研究成果通過將復合超透鏡技術與微型化雙光子顯微成像技術深度融合，成功同時實現超輕重量、大視場、深層皮層與高分辨率的突破。將超透鏡技術進一步實用化，首次實現超透鏡微型化雙光子顯微鏡自由行為動物大腦功能成像。

未來，超透鏡技術研究將進一步拓展至自由行為多色成像、多腦區同步觀測、跨物種(蝙蝠、鳥類、幼年嚙齒類)研究等神經網絡解析中，有望在腦認知原理解析、腦疾病早期診斷、神經藥物評估等領域發揮重要作用。

該論文第一作者為北京航空航天大學與北京信息科技大學聯合培養的郝澤宇和哈爾濱工業大學(深圳)張堯；共同通訊作者為北京信息科技大學吳潤龍教授、哈爾濱工業大學肖淑敏教授、北京大學王愛民副教授。吳潤龍教授負責研究項目的整體構思，主導核心光學系統的設計與搭建；肖淑敏教授指導超透鏡的設計與優化；王愛民教授為生物成像實驗提供了關鍵技術支持。本項目獲得 2030 “腦科學與類腦研究” 重大項目、生物醫學成像北京實驗室、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、深圳市基礎研究項目等經費支持。

【原文鏈接】

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals. PhotoniX 6, 57 (2025). https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

【參考文獻】

1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, et al. Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice. Nat Methods. 2017;14(7):713–9.

2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, et al. Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging. Nat Methods. 2021;18(1):46–9.

3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q, et al. A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging. Nat Methods. 2025;22:1935-1943.

4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Open-source, high performance miniature 2-photon microscopy systems for freely behaving animals. Nat Commun. 2025;16(1):7125.