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Cellular multipoint adaptive technology for two-photon mesoscope
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AI
DOI：10.1117/1.NPh.13.1.015004.png)
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摘要
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意义：在神经科学的中观成像研究中，实现整个视场（FOV）内的高空间分辨率光学成像仍然至关重要。这直接决定了研究人员能否在单细胞甚至亚细胞水平上精确分析神经回路的大规模动态活动。在整个成像FOV内保持一致的光学质量对于准确捕捉跨脑区的神经活动时空模式至关重要，从而为在细胞和亚细胞分辨率水平上理解认知、行为和疾病背后的回路机制提供强大工具。目的：本研究旨在开发一种在双光子中观显微镜中扩展成像FOV的同时增强整个FOV在体光学质量的技术。关键点在于建立一种稳健的方法，能够显著扩展FOV，超越微/中观显微镜物镜最初设计的范围，同时保持原始分辨率规格。因此，该方法的价值也超越了仅仅改进一种中观显微镜，我们在此研究中将其用作演示。方法：本研究介绍了一种创新方法，结合块扫描与自适应光学（AO）校正，通过一种受生物启发的蜂窝基细胞多点自适应技术（CMAT）实现中观双光子成像。该系统通过将8 mm × 8 mm的成像区域划分为子区域，每个子区域在扫描过程中预先用变形镜（DM）补偿优化，同时应用实时动态波前校正，实现了前所未有的大FOV、高分辨率成像。此外，我们设计了多个用户自定义子区域扫描功能。每个子区域自动从其中心最近的参考点加载像差校正补偿值，从而确保每个子区域的光学性能最优。该技术的稳健性已在转基因小鼠模型的多重神经回路观察场景中系统验证，展示了其在广阔脑区进行可靠单细胞分辨率成像的能力。结果：使用标准样本和转基因小鼠模型的全面评估表明，CMAT显著提升了双光子中观显微镜的成像性能。该技术将有效双光子成像FOV从6 mm × 6 mm扩展至8 mm × 8 mm，同时显著改善了边缘区域的光学质量。中心区域保持了约1 μm（横向）和约10 μm（轴向）的高分辨率，边缘区域实现了约1.3 μm（横向）和约14 μm（轴向）的改进分辨率。定量分析证实，多点AO不仅增强了图像对比度和光学分辨率，还在Ca2+成像中显著提高了信噪比（SNR）。这项工作为神经回路的大规模功能成像提供了关键的技术进步。结论：CMAT显著扩展了双光子中观显微镜系统的有效FOV并增强了其光学质量。
Keyword:
two-photon mesoscope
adaptive optics
real-time wavefront correction
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