美國清醒動物多光子顯微鏡應(yīng)用

多光子成像系統(tǒng)提供的優(yōu)勢包括了真正的三維成像、對活組織內(nèi)部深處進行成像的能力以及消除平面外熒光的能力。使用這種方法進行成像，可以對斯托克斯位移非常短和/或效率非常低的熒光染料進行成像，甚至可以對樣品或組織中固有的熒光分子進行成像。多光子成像的缺點包括需要高峰值功率脈沖激光器，例如鎖模鈦：藍寶石激光器，并且直到現(xiàn)在，缺乏在整個發(fā)射范圍內(nèi)提供足夠吞吐量的高性能濾光片。整個激光調(diào)諧范圍內(nèi)的興趣和足夠的阻擋。多光子顯微鏡可以更好的了解神經(jīng)信號之間復(fù)雜動態(tài)的編碼過程。美國清醒動物多光子顯微鏡應(yīng)用

作為一個多學(xué)科、知識密集型和資金密集型的高科技產(chǎn)業(yè)，多光子顯微鏡涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、工程學(xué)等多個學(xué)科。其生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜，進入門檻較高。它是衡量一個國家制造業(yè)和高科技發(fā)展水平的重要標準之一。在過去的五年里，多光子顯微鏡的市場是集中的。由于投產(chǎn)成本高，技術(shù)難度大，目前涌現(xiàn)的新企業(yè)并不多。顯微鏡作為傳統(tǒng)的高科技產(chǎn)業(yè)，并沒有被其他技術(shù)顛覆，而是一直在不斷融合發(fā)展相關(guān)技術(shù)，在醫(yī)療等精密檢測領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。顯微鏡的商業(yè)化發(fā)展已進入成熟階段，主要需求來自教學(xué)、生命科學(xué)研究和精密測試等。全球市場呈現(xiàn)溫和增長趨勢。而顯微鏡產(chǎn)品(如多光子顯微鏡、電子顯微鏡)正在刺激市場需求，多光子顯微鏡市場發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｃ绹詣佣喙庾语@微鏡數(shù)據(jù)處理多光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。

多束掃描技術(shù)可以同時對神經(jīng)元組織的不同位置進行成像。該技術(shù):對于兩個遠程成像位置(相距1-2mm以上)，通常采用兩個**的路徑進行成像；對于相鄰區(qū)域，通常使用單個物鏡的多個光束進行成像。多光束掃描技術(shù)必須特別注意激發(fā)光束之間的串擾，這可以通過事后光源分離或時空復(fù)用來解決。事后光源分離法是指分離光束以消除串擾的算法；時空復(fù)用法是指同時使用多個激發(fā)光束，每個光束的脈沖在時間上被延遲，使不同光束激發(fā)的單個熒光信號可以暫時分離。引入的光束越多，可以成像的神經(jīng)元越多，但多束會導(dǎo)致熒光衰減時間重疊增加，從而限制了分辨信號源的能力；并且復(fù)用對電子設(shè)備的工作速度要求很高；大量的光束也需要較高的激光功率來維持單束的信噪比，這樣容易導(dǎo)致組織損傷。

基于多光子顯微鏡的神經(jīng)成像技術(shù)原理：多光子顯微鏡可用于深度成像和三維成像，因此可用于拍攝不透明的厚樣品。目前主要使用的多光子顯微鏡包括雙光子顯微鏡和三光子顯微鏡。雙光子顯微鏡的結(jié)構(gòu)與共焦類似，區(qū)別在于：1)雙光子顯微鏡的激發(fā)光波長比共焦長，能量較低，但穿透能力較強；2)雙光子顯微鏡沒有小孔，提高了檢測效率；3)雙光子顯微鏡成像深度較快提高。那么，為什么雙光子能具有共焦顯微鏡所沒有的優(yōu)勢呢？原因是它采用雙光子激發(fā)方式。使用波長較長的激發(fā)光子，光子的能量較低，因此電子需要吸收兩個這樣的激發(fā)光子才能達到激發(fā)態(tài)，從而釋放出一個熒光光子。因此，熒光信號的強度與光強的平方成正比。因為焦點處的光強較大，只能在焦點處激發(fā)熒光。波長越長，穿透力越強，因此雙光子顯微鏡的成像深度大于共焦顯微鏡。由于兩個光子只在焦點激發(fā)熒光，不需要小孔，而是將所有的熒光都收集起來，提高了檢測效率。三光子顯微鏡的原理類似于雙光子顯微鏡，利用三個激發(fā)光子可以實現(xiàn)更深的成像深度。由于使用了更長的激發(fā)波長，穿透能力更強，成像深度更大。此外，由于較強的非線性效應(yīng)，熒光信號的強度與光強的立方成正比，因此比雙光子具有更低的非聚焦激發(fā)和背景噪聲。多光子顯微鏡可以進行深層成像，且具有三維成像的能力，可以應(yīng)用于拍攝不透明的厚樣品。

快速光柵掃描有多種實現(xiàn)方式，使用振鏡進行快速2D掃描，將振鏡和可調(diào)電動透鏡結(jié)合在一起進行快速3D掃描，但可調(diào)電動透鏡由于機械慣性的限制在軸向無法快速進行焦點切換，影響成像速度，現(xiàn)可使用空間光調(diào)制器（SLM）代替。遠程聚焦也是一種實現(xiàn)3D成像的手段，如圖2所示。在LSU模塊中，掃描振鏡進行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調(diào)控M的位置實現(xiàn)軸向掃描。該技術(shù)不僅可以校正主物鏡L2引入的光學(xué)像差，還可以進行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計來擴大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)依賴于遠程聚焦、SLM和可調(diào)電動透鏡。多光子共聚焦掃描顯微鏡比雙光子共聚焦掃描顯微鏡具有更高的空間分辨率。多光子顯微鏡作用

由于其非侵入性和高分辨率的特點，多光子顯微鏡在神經(jīng)科學(xué)、ai癥研究、免疫學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。美國清醒動物多光子顯微鏡應(yīng)用

2020年，TonmoyChakraborty等人提出了一種加快2PM軸向掃描速度的方法[2]。在光學(xué)顯微鏡中，物鏡或樣品的緩慢軸向掃描速度限制了體積成像的速度。近年來，通過使用遠程聚焦技術(shù)或電可調(diào)諧透鏡（ETL）已經(jīng)實現(xiàn)了快速軸向掃描；但是，遠程聚焦中反射鏡的機械驅(qū)動會限制軸向掃描速度，ETL會引入球面像差和更高階像差，從而無法進行高分辨率成像。為了克服這些局限性，該組引入了一種新穎的光學(xué)設(shè)計，能將橫向掃描轉(zhuǎn)換為可用于高分辨率成像的無球差的軸向掃描。該設(shè)計有兩種實現(xiàn)方式，第一種能夠執(zhí)行離散的軸向掃描，另一種能夠進行連續(xù)的軸向掃描。具體裝置如圖3a所示，由兩個垂直臂組成，每個臂中都有一個4F望遠鏡和一個物鏡。遠程聚焦臂包含一個檢流掃描鏡（GSM）和一個空氣物鏡（OBJ1），另一個臂（稱為照明臂）由一個水浸物鏡（OBJ2）構(gòu)成。將這兩個臂對齊，以使GSM與兩個物鏡的后焦平面共軛。準直的激光束被偏振分束器反射到遠程聚焦臂中，GSM對其進行掃描，進而使得OBJ1產(chǎn)生的激光焦點進行橫向掃描。美國清醒動物多光子顯微鏡應(yīng)用