美國(guó)高速高分辨率多光子顯微鏡長(zhǎng)時(shí)間觀察

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(lái)，通過(guò)使用遠(yuǎn)程聚焦技術(shù)或電可調(diào)諧透鏡（ETL）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了快速軸向掃描；但是，遠(yuǎn)程聚焦中反射鏡的機(jī)械驅(qū)動(dòng)會(huì)限制軸向掃描速度，ETL會(huì)引入球面像差和更高階像差，從而無(wú)法進(jìn)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(jì)，能將橫向掃描轉(zhuǎn)換為可用于高分辨率成像的無(wú)球差的軸向掃描。該設(shè)計(jì)有兩種實(shí)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(jìn)行連續(xù)的軸向掃描。具體裝置如圖3a所示，由兩個(gè)垂直臂組成，每個(gè)臂中都有一個(gè)4F望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)物鏡。遠(yuǎn)程聚焦臂包含一個(gè)檢流掃描鏡（GSM）和一個(gè)空氣物鏡（OBJ1），另一個(gè)臂（稱為照明臂）由一個(gè)水浸物鏡（OBJ2）構(gòu)成。將這兩個(gè)臂對(duì)齊，以使GSM與兩個(gè)物鏡的后焦平面共軛。準(zhǔn)直的激光束被偏振分束器反射到遠(yuǎn)程聚焦臂中，GSM對(duì)其進(jìn)行掃描，進(jìn)而使得OBJ1產(chǎn)生的激光焦點(diǎn)進(jìn)行橫向掃描。4tune光譜檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)多光子顯微鏡的光譜型檢測(cè)。美國(guó)高速高分辨率多光子顯微鏡長(zhǎng)時(shí)間觀察

雙光子熒光顯微成像主要有以下優(yōu)點(diǎn):a.光損傷小:雙光子熒光顯微以可見(jiàn)光或近紅外光為激發(fā)光，對(duì)細(xì)胞和組織的光損傷小，適合長(zhǎng)期研究；b.穿透力強(qiáng):與紫外光、可見(jiàn)光或近紅外光相比，穿透力強(qiáng)，可用于生物樣品的深入研究；c.高分辨率:由于雙光子吸收截面很小P，熒光只能在焦平面很小的區(qū)域激發(fā)，雙光子吸收被限制在焦點(diǎn)λ左右的體積內(nèi)；d.漂白區(qū)域很小，焦點(diǎn)外不發(fā)生漂白。E.高熒光收集率與共焦成像相比，雙光子成像不需要濾光片，提高了熒光收集率。采集效率的提高直接導(dǎo)致圖像對(duì)比度的提高。F.對(duì)探測(cè)光路要求低。由于激發(fā)光和發(fā)射熒光的波長(zhǎng)差越來(lái)越大，加上自發(fā)三維濾波效應(yīng)，多光子顯微鏡對(duì)光路采集系統(tǒng)的要求遠(yuǎn)低于單光子共焦顯微鏡，光學(xué)系統(tǒng)也相對(duì)簡(jiǎn)單。G.適用于多標(biāo)簽復(fù)合測(cè)量許多染料熒光探針的多光子激發(fā)光譜比單光子激發(fā)光譜更寬，從而可以用單一波長(zhǎng)的激發(fā)光同時(shí)激發(fā)多種染料，獲得同一生命現(xiàn)象的不同信息，便于相互比較和補(bǔ)充。美國(guó)布魯克多光子顯微鏡數(shù)據(jù)采集全球多光子顯微鏡主要生產(chǎn)地區(qū)分析，包括產(chǎn)量、產(chǎn)值份額等。

有許多方法可以實(shí)現(xiàn)快速光柵掃描，例如使用振鏡進(jìn)行快速2D掃描，以及將振鏡與可調(diào)電動(dòng)透鏡相結(jié)合進(jìn)行快速3D掃描。而可調(diào)電動(dòng)式鏡頭由于機(jī)械慣性的限制，無(wú)法在軸向快速切換焦點(diǎn)，影響成像速度?，F(xiàn)在它可以被空間光調(diào)制器(SLM)取代。遠(yuǎn)程對(duì)焦也是實(shí)現(xiàn)3D成像的一種手段，如圖2所示。LSU模塊中，掃描振鏡水平掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過(guò)調(diào)整M的位置實(shí)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(jìn)行快速軸向掃描。為了獲得更多的神經(jīng)元成像，可以通過(guò)調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計(jì)來(lái)放大FOV。然而，大NA和大FOV的物鏡通常很重，不能快速移動(dòng)以進(jìn)行快速軸向掃描，因此大FOV系統(tǒng)依賴于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動(dòng)透鏡。

多光子激發(fā)的特點(diǎn)。激發(fā)波長(zhǎng)∶兩個(gè)或多個(gè)光子同時(shí)激發(fā)，激發(fā)波長(zhǎng)是單光子激發(fā)波長(zhǎng)的兩倍或多倍（i.e.紅光能激發(fā)UV探針）。多光子激發(fā)∶依賴于多個(gè)光子同時(shí)到達(dá)的時(shí)間。使用脈沖飛秒激光器（i.e.10-16seconds），且能提供更高的峰值功率。熒光限制在焦點(diǎn)處，能滿足多個(gè)光子同時(shí)達(dá)到產(chǎn)生多光子吸收。熒光強(qiáng)度正比于（激光強(qiáng)度）n。為什么使用飛秒激光器?多光子激發(fā)需要超快的激光器，皮秒脈沖不能實(shí)現(xiàn)三光子激發(fā)。深度成像需要更高、更窄脈沖輸出功率。多光子激發(fā)光源處于近紅外區(qū)，對(duì)細(xì)胞毒性和光漂白更小。多光子顯微鏡作為一種研究微觀結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)，在眾多領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。

首代小型化雙光子顯微鏡在國(guó)際上獲得小鼠自由行為過(guò)程中大腦神經(jīng)元和突觸的動(dòng)態(tài)圖像后，我們成功研制了第二代小型化雙光子顯微鏡。它具有更大的成像視野和三維成像能力，可以清晰穩(wěn)定地對(duì)自由活動(dòng)小鼠三維腦區(qū)的數(shù)千個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一批神經(jīng)元的一個(gè)月追蹤記錄。通過(guò)對(duì)微光學(xué)系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的。微物鏡工作距離延長(zhǎng)至1mm，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)成像。內(nèi)嵌可拆卸的快速軸向掃描模塊，可采集深度180微米的3D體成像和多平面快速切換的實(shí)時(shí)成像。該掃描模塊由一個(gè)快速的電動(dòng)變焦透鏡和一對(duì)中繼透鏡組成，在不同深度成像時(shí)可保持放大倍率恒定。其變焦模塊重量，研究人員可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探頭可整體即時(shí)拔插，極大地簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，避免了長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)動(dòng)物的干擾。在重復(fù)裝卸探頭同一批神經(jīng)元時(shí)，視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角小于，邊界偏差小于35微米。多光子顯微鏡技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如何？又有哪些應(yīng)用？美國(guó)在體多光子顯微鏡三維分辨率

世界多光子激光掃描顯微鏡產(chǎn)業(yè)主要布局在德國(guó)和日本，德國(guó)是徠卡顯微系統(tǒng)和蔡司。美國(guó)高速高分辨率多光子顯微鏡長(zhǎng)時(shí)間觀察

對(duì)于雙光子成像而言，離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個(gè)比較大的深度限制因素，而對(duì)于三光子（3P）成像這兩個(gè)問(wèn)題大大減小，但是三光子成像由于熒光團(tuán)的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數(shù)量級(jí)的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強(qiáng)度的熒光信號(hào)。功能性3P顯微鏡比結(jié)構(gòu)性3P顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時(shí)采樣神經(jīng)元活動(dòng)；需要更高的脈沖能量，以便在每個(gè)像素停留時(shí)間內(nèi)收集足夠的信號(hào)。復(fù)雜的行為通常涉及到大型的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)既具有局部的連接又具有遠(yuǎn)程的連接。要想將神經(jīng)元活動(dòng)與行為聯(lián)系起來(lái)，需要同時(shí)監(jiān)控非常龐大且分布普遍的神經(jīng)元的活動(dòng)，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)在幾十毫秒內(nèi)處理傳入的刺激，要想了解這種快速的神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)，就需要MPM具備對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行快速成像的能力。快速M(fèi)PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)。美國(guó)高速高分辨率多光子顯微鏡長(zhǎng)時(shí)間觀察