大視場(chǎng)雙光子顯微成像系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

雙光子顯微成像具備高分辨率、天然層析能力和大穿透深度等特點(diǎn)，在活體動(dòng)物成像中發(fā)揮著重要作用。然而，如何在維持高分辨率的條件下，擴(kuò)大雙光子的成像視場(chǎng)，來(lái)滿足生物醫(yī)學(xué)中對(duì)大規(guī)模動(dòng)態(tài)反應(yīng)的監(jiān)測(cè)需求，一直以來(lái)都是光學(xué)顯微成像領(lǐng)域的難點(diǎn)，也是科研關(guān)注的重點(diǎn)。

香港理工大學(xué)姚靖、余志鵬團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》發(fā)表文章，綜述了大視場(chǎng)雙光子成像技術(shù)的研究進(jìn)展。介紹了雙光子顯微成像系統(tǒng)的產(chǎn)生背景和設(shè)計(jì)原理，并從光學(xué)不變量的角度闡述了實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)雙光子成像的理論基礎(chǔ)，并重點(diǎn)回顧了現(xiàn)有的幾種大視場(chǎng)雙光子成像方法。

基于雙光子成像的高時(shí)間和空間分辨特性，大視場(chǎng)雙光子成像技術(shù)將成為一種在腦科學(xué)等需介觀高分辨成像領(lǐng)域的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)大區(qū)域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的強(qiáng)有力的工具。

大視場(chǎng)雙光子成像的理論基礎(chǔ)

實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高分辨率的雙光子成像的難度在于保證分辨率的同時(shí)增加成像視場(chǎng)。成像物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定了系統(tǒng)成像的衍射極限分辨率，而物鏡放大倍數(shù)和視場(chǎng)數(shù)決定了成像系統(tǒng)的最大成像視場(chǎng)。

另外，在雙光子系統(tǒng)中，可用一個(gè)光學(xué)量來(lái)同時(shí)衡量各光學(xué)元件(系統(tǒng))的衍射極限分辨率和視場(chǎng)大小，人們稱之為光學(xué)不變量，光學(xué)不變量可同時(shí)衡量光學(xué)元件的衍射極限分辨率和視場(chǎng)大小。對(duì)于大視場(chǎng)雙光子成像系統(tǒng)，需要挑選或特殊設(shè)計(jì)具有大光學(xué)不變量的元件。

具體來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)大視場(chǎng)雙光子成像系統(tǒng)時(shí)，可將其大致分為三部分進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)優(yōu)化，分別為成像物鏡、掃描中繼系統(tǒng)與熒光收集系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇低放大倍數(shù)的成像物鏡，并對(duì)比其光學(xué)不變量；掃描中繼系統(tǒng)應(yīng)減少大角度掃描時(shí)產(chǎn)生的離軸像差；熒光收集系統(tǒng)的光學(xué)不變量也應(yīng)等于或大于選定物鏡的光學(xué)不變量。

大視場(chǎng)雙光子成像與其應(yīng)用

掃描中繼系統(tǒng)的邊緣像差校準(zhǔn)

雙光子成像系統(tǒng)屬于激光點(diǎn)掃描式顯微鏡的一種，要實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)雙光子成像，必須進(jìn)行大角度掃描以增加實(shí)際光學(xué)不變量。然而，大角度掃描過(guò)程中由掃描系統(tǒng)引起的像差會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成像性能造成較大影響。

2015年，Philbert S.Tsai等提出了一種使用大孔徑的多透鏡組合的方法，減小了掃描系統(tǒng)引起的像差，實(shí)現(xiàn)接近于衍射極限的高分辨率大視場(chǎng)雙光子成像。

該方法主要是從傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)角度以及光學(xué)像差的光學(xué)補(bǔ)償角度優(yōu)化大視場(chǎng)成像系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償大視場(chǎng)掃描引起的大離軸像差，最終在近衍射極限的分辨率下監(jiān)測(cè)到了不同腦區(qū)的血管以及神經(jīng)活動(dòng)。

高通量物鏡的設(shè)計(jì)研發(fā)

成像物鏡的光學(xué)不變量限制了整個(gè)雙光子成像系統(tǒng)的光學(xué)不變量，也限制了最終的成像視場(chǎng)與分辨率。所以無(wú)論對(duì)物鏡前的光路進(jìn)行多復(fù)雜的特殊設(shè)計(jì)，最終影響整個(gè)大視場(chǎng)雙光子系統(tǒng)的關(guān)鍵元件仍然是物鏡。目前市面上支持大光學(xué)不變量的商業(yè)物鏡有限，同時(shí)這些商業(yè)物鏡支持的最大視場(chǎng)也有限。因此，要實(shí)現(xiàn)更大視場(chǎng)的高分辨雙光子成像，使用高通量的自制成像物鏡是將成像視場(chǎng)進(jìn)一步拓展的關(guān)鍵。

2016年，Nicholas James Sofroniew等設(shè)計(jì)的用于大視場(chǎng)成像的雙光子隨機(jī)掃描顯微鏡（2-p RAM），其最大可實(shí)現(xiàn)成像視場(chǎng)為5mm×5mm，并具有亞細(xì)胞級(jí)別的近衍射極限的分辨率。該系統(tǒng)使用自主設(shè)計(jì)的高性能、大光學(xué)不變量成像物鏡實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)高分辨雙光子成像。最終他們通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)麻醉的轉(zhuǎn)基因小鼠實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)的神經(jīng)活動(dòng)分析。

該大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的主要亮點(diǎn)在于同時(shí)的跨多區(qū)域成像。最終他們通過(guò)該大視場(chǎng)多區(qū)域系統(tǒng)測(cè)量了小鼠視覺(jué)處理過(guò)程中兩個(gè)皮層視覺(jué)區(qū)域之間的活動(dòng)相關(guān)性。

總的來(lái)說(shuō)，在活體生物成像中，大視場(chǎng)掃描的同時(shí)不可避免的會(huì)降低成像的速度，這會(huì)造成對(duì)生物組織的光漂白和光毒性增加，同時(shí)也會(huì)造成熒光信號(hào)的衰減。所以快速大視場(chǎng)掃描和同時(shí)多區(qū)域掃描是兩種可將大視場(chǎng)雙光子顯微鏡拓展至生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的有效思路。

自適應(yīng)光學(xué)方法的使用

通常情況下，商業(yè)成像物鏡都會(huì)有一個(gè)廠商標(biāo)定的最大成像視場(chǎng)區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，物鏡廠商通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)盡可能的對(duì)像差進(jìn)行優(yōu)化。而超過(guò)該標(biāo)定視場(chǎng)時(shí)，像差會(huì)急劇的增加。

2022年，Yao等提出一種更通用的大視場(chǎng)雙光子方法。該系統(tǒng)最終成像視場(chǎng)直徑為3.46mm，軸向分辨率為0.84μm，軸向分辨率為5.8μm。在不改變系統(tǒng)復(fù)雜度和無(wú)需復(fù)雜設(shè)計(jì)的前提下，該技術(shù)通過(guò)自適應(yīng)光學(xué)實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、高分辨和高信噪比的雙光子成像。

該策略通過(guò)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來(lái)補(bǔ)償超過(guò)標(biāo)定視場(chǎng)掃描過(guò)程中成像物鏡產(chǎn)生的大離軸像差。該技術(shù)具有較好的通用性，一方面不僅適用于普通的大視場(chǎng)雙光子成像系統(tǒng)，對(duì)于傳統(tǒng)的含高倍數(shù)物鏡的小視場(chǎng)雙光子顯微鏡，也可在光路前加入波前矯正元件來(lái)拓展其最大視場(chǎng)。另一方面，可以將該技術(shù)拓展到任何激光掃描顯微成像領(lǐng)域，通過(guò)像差補(bǔ)償元件的加入成功增加成像系統(tǒng)的可用視場(chǎng)。

大視場(chǎng)雙光子腦成像的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

通過(guò)各類方法提高雙光子成像系統(tǒng)的成像視場(chǎng)，能在保證其高分辨率的情況下，增大可探測(cè)區(qū)域。具體來(lái)說(shuō)，相比于傳統(tǒng)的雙光子成像，大視場(chǎng)雙光子成像系統(tǒng)可將成像視場(chǎng)直徑拓展至5-10倍，即在保證亞細(xì)胞級(jí)別分辨率的情況下將探測(cè)區(qū)域最大拓展100倍左右。目前，雙光子用于小鼠腦成像主要有兩個(gè)方向：腦內(nèi)血管成像和腦內(nèi)神經(jīng)元或鈣離子成像。

大視場(chǎng)雙光子腦內(nèi)血管成像能夠分辨全腦或多腦區(qū)小鼠腦內(nèi)血管狀態(tài)，為腫瘤分析、缺血或敗血模型等病理應(yīng)用提供一種有效的工具。在小鼠腦內(nèi)神經(jīng)元或鈣離子成像中，支持感覺(jué)編碼和運(yùn)動(dòng)輸出的神經(jīng)元活動(dòng)分布在新皮質(zhì)的多個(gè)區(qū)域。從大視場(chǎng)雙光子神經(jīng)元或鈣離子成像結(jié)果中可以看出，大視場(chǎng)雙光子成像系統(tǒng)可以同時(shí)跨多個(gè)皮層區(qū)域成像，從而獲得擴(kuò)展皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的細(xì)胞分辨率視圖，這對(duì)多皮層協(xié)調(diào)的神經(jīng)活動(dòng)或系統(tǒng)的闡明神經(jīng)編碼的原理至關(guān)重要。
 

總結(jié)與展望

大視場(chǎng)雙光子成像是雙光子成像領(lǐng)域的新方向，雖然已有多種大視場(chǎng)成像技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨設(shè)計(jì)難度和成本等問(wèn)題。

未來(lái)，需要一種更通用、更具性價(jià)比的方式來(lái)解除成像視場(chǎng)的限制。此外，將大視場(chǎng)成像技術(shù)與其他領(lǐng)域技術(shù)相結(jié)合，如貝塞爾掃描技術(shù)、光透明技術(shù)和光學(xué)波前整形技術(shù)等，將是大視場(chǎng)雙光子成像的發(fā)展方向，有望實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)大深度的雙光子成像。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來(lái)源于:姚靖,余志鵬,高玉峰,葉世蔚,鄭煒,賴溥祥.大視場(chǎng)雙光子顯微成像系統(tǒng)研究進(jìn)展（特邀）[J].紅外與激光工程,2022,51(11):20220550.Jing Yao,Zhipeng Yu,Yufeng Gao,Shiwei Ye,Wei Zheng,Puxiang Lai.Advances of large field-of-view two-photon microscopy system (invited)[J].Infrared and Laser Engineering,2022,51(11):20220550.