美國全自動多光子顯微鏡設備

與傳統(tǒng)的單光子寬視野熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡（MPM）具有光學切片和深層成像等功能，這兩個優(yōu)勢極大地促進了研究者們對于完整大腦深處神經(jīng)的了解與認識。2019年，JeromeLecoq等人從大腦深處的神經(jīng)元成像、大量神經(jīng)元成像、高速神經(jīng)元成像這三個方面論述了相關的MPM技術[1]。想要將神經(jīng)元活動與復雜行為聯(lián)系起來，通常需要對大腦皮質深層的神經(jīng)元進行成像，這就要求MPM具有深層成像的能力。激發(fā)和發(fā)射光會被生物組織高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素，雖然可以通過增加激光強度來解決散射問題，但這會帶來其他問題，例如燒壞樣品、離焦和近表面熒光激發(fā)。增加MPM成像深度比較好的方法是用更長的波長作為激發(fā)光。光子顯微成像技術不是什么新技術，早在20多年前就有了，目前已經(jīng)在生命科學和材料科學中廣泛應用。美國全自動多光子顯微鏡設備

通過添加FACED模塊，可以將基于標準振鏡的現(xiàn)有2PM輕松轉換為千赫茲成像系統(tǒng)。FACED雙光子熒光顯微鏡遵循光柵掃描，需要很少的計算處理，在稀疏或密集的標記樣本中均可以使用，并且不受串擾的影響，而且對整個圖像平面采樣后可以進行運動校正。實驗中沒有觀察到光損傷的跡象，此外，子脈沖延遲到達相同的樣品位置，能為熒光團提供充足的時間使其從易于破壞的暗態(tài)返回到基態(tài)，可以明顯減少光漂白。使用現(xiàn)有的傳感器，F(xiàn)ACED雙光子熒光顯微鏡可以提供足夠的速度和靈敏度來檢測神經(jīng)元過程中的鈣瞬變和谷氨酸瞬變，以及來自細胞體的尖峰和亞閾值電壓。該組使用基于FACED的2PM顯微鏡，在小鼠大腦中實現(xiàn)了千赫茲速率的神經(jīng)活動成像。在物鏡平均激光功率為10-85mW下，他們測量了清醒小鼠中V1神經(jīng)元的自發(fā)性和感覺誘發(fā)性的超閾值和亞閾值電位活動。美國高速高分辨率多光子顯微鏡多光子激光掃描顯微鏡是建立在激光掃描顯微鏡技術基礎上的實驗方法，三維觀察上提供更的光學切片能力。

    基于多光子顯微鏡的神經(jīng)成像技術原理：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。雙光子顯微鏡的結構與共焦類似，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，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。

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，將振鏡和可調電動透鏡結合在一起進行快速3D掃描，但可調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，通過調控M的位置實現(xiàn)軸向掃描。該技術不僅可以校正主物鏡L2引入的光學像差，還可以進行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過調整顯微鏡的物鏡設計來擴大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和可調電動透鏡。多光子顯微鏡中，極短的激光脈沖聚焦在樣品上的緊密點上，激發(fā)熒光團產(chǎn)生圖像。

多光子激光掃描顯微鏡行業(yè)發(fā)展，世界多光子激光掃描顯微鏡產(chǎn)業(yè)主要布局在德國和日本，德國是以徠卡顯微系統(tǒng)和蔡司為，而日本以尼康和奧林巴斯公司為，2020年，上述企業(yè)占據(jù)著世界多光子激光掃描顯微鏡市場 64.44%的市場份額，其發(fā)展戰(zhàn)略左右著多光子激光掃描顯微鏡市場的走向。目前世界市場對多光子激光掃描顯微鏡的需求在增長，中國市場這方面的需求增長更快，未來五年多光子激光掃描顯微鏡市場的發(fā)展在中國將具有很大的發(fā)展?jié)摿Α６喙庾语@微鏡已經(jīng)被生物學家普遍的運用于實驗中。布魯克多光子顯微鏡供應商

多光子顯微鏡在臨床前評價IA形態(tài)、細胞外基質、細胞密度和血管形成等方面顯示出強大的作用。美國全自動多光子顯微鏡設備

多光子激發(fā)掃描顯微成像系統(tǒng)的不足。只能對熒光成像。如果樣品包括能夠吸收激發(fā)光的色團，如色素，樣品可能受到熱損傷。分辨率略有降低，雖然可以通過同時利用共焦的小孔得到改善，但是信號會有損耗。受昂貴的超快激光器限制，多光子掃描顯微鏡的成本較高。多光子激發(fā)顯微鏡應用舉例。動物和腦片神經(jīng)細胞結構與功能、動物腦皮層的成像、胚胎發(fā)育過程的長時間動態(tài)觀測、多光子激發(fā)光解籠、細胞內微區(qū)鈣動力學、多光子激發(fā)自發(fā)熒光、其它應用。美國全自動多光子顯微鏡設備