繼首代小型化雙光子顯微鏡在國際上獲得小鼠自由行為過程中大腦神經(jīng)元和突觸的動態(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)定地對自由活動小鼠三維腦區(qū)的數(shù)千個神經(jīng)元進行成像，實現(xiàn)對同一批神經(jīng)元的一個月追蹤記錄。通過對微光學系統(tǒng)的重新設計系統(tǒng)的。微物鏡工作距離延長至1mm，實現(xiàn)無創(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時成像。該掃描模塊由一個快速的電動變焦透鏡和一對中繼透鏡組成，在不同深度成像時可保持放大倍率恒定。其變焦模塊重量，研究人員可根據(jù)實驗需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探頭可整體即時拔插，極大地簡化了實驗操作，避免了長周期實驗時對動物的干擾。在重復裝卸探頭同一批神經(jīng)元時，視場旋轉角小于，邊界偏差小于35微米。滔博生物多光子顯微鏡具有出色的成像深度和分辨率!美國嚙齒類多光子顯微鏡焦點激發(fā)
2020年，JianglaiWu等人提出提高2PM橫向掃描速率的裝置，稱為FACED（free-spaceangular-chirp-enhanceddelay）。圓柱透鏡將激光束一維聚焦，會聚角為Δθ。光束進入到一對幾乎平行的高反射鏡中，其間距為S，偏角為α。經(jīng)過反射鏡多次反射后，激光脈沖被分成多個傳播方向不同的子脈沖（N=Δθ/α），脈沖間以2S/c的時間延遲（c，光速）回射。FACED模塊輸出處的子脈沖序列可以看作從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成了一個空間上分離且時間延遲的焦點陣列。然后將該模塊并入具有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標準雙光子熒光顯微鏡中。光源是具有1MHz重復頻率的920nm的激光器，通過FACED模塊可產(chǎn)生80個脈沖焦點，其脈沖時間間隔為2ns。這些焦點是虛擬源的圖像，虛擬源越遠，物鏡處的光束尺寸越大，焦點越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡，從而導致x軸的橫向分辨率為0.82μm，y軸的橫向分辨率為0.35μm。進口多光子顯微鏡能量脈沖由于多光子激發(fā)的發(fā)生概率較低，因此需要使用高功率的激光束來增加激發(fā)的幾率。
與傳統(tǒng)的單光子寬場熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡(MPM)具有光學切片和深度成像的功能，極大地促進了研究人員對整個大腦深部神經(jīng)的認識。2019年，JeromeLecoq等從腦深部神經(jīng)元成像、大數(shù)量神經(jīng)元成像、高速神經(jīng)元成像三個方面討論了相關的MPM技術。為了將神經(jīng)元活動與復雜行為聯(lián)系起來，通常需要對大腦皮層深處的神經(jīng)元進行成像，這就要求MPM具備深度成像的能力。激發(fā)光和發(fā)射光會被生物組織高度散射和吸收，這是限制MPM成像深度的主要因素。雖然增加激光強度可以解決散射問題，但會帶來其他問題，如燒焦樣品、散焦和近表面熒光激發(fā)。增加MPM成像深度的比較好方法是使用更長的波長作為激發(fā)光。另外，對于雙光子（2P）成像而言，離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個比較大的深度限制因素，而對于三光子（3P）成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數(shù)量級的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強度的熒光信號。
Ca2+是重要的第二信使，對于調(diào)節(jié)細胞的生理反應具有極其重要的作用，開發(fā)和利用雙光子熒光顯微成像技術對Ca2+熒光信號進行觀測，可以從某些方面對有機體或細胞的變化機制進行分析，具有重要的意義。利用雙光子熒光顯微成像技術可以觀察細胞內(nèi)用熒光探針標記的Ca2*的時間和空間的熒光圖像的變化，還可以觀察細胞某一層面或局部的（Ca2+）熒光圖像和變化。通過對單細胞的研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+不僅在細胞局部區(qū)域間的分布是不均勻的，而且細胞內(nèi)各局部區(qū)域的不同深度或?qū)哟伍g也存在不同程度的Ca2+梯差即所謂的空間Ca2梯差。多光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。
對于雙光子成像而言，離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個比較大的深度限制因素，而對于三光子（3P）成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數(shù)量級的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結構性3P顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時采樣神經(jīng)元活動；需要更高的脈沖能量，以便在每個像素停留時間內(nèi)收集足夠的信號。復雜的行為通常涉及到大型的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡既具有局部的連接又具有遠程的連接。要想將神經(jīng)元活動與行為聯(lián)系起來，需要同時監(jiān)控非常龐大且分布普遍的神經(jīng)元的活動，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡會在幾十毫秒內(nèi)處理傳入的刺激，要想了解這種快速的神經(jīng)元動力學，就需要MPM具備對神經(jīng)元進行快速成像的能力?？焖費PM方法可分為單束掃描技術和多束掃描技術。多光子顯微鏡，提高樣品成像質(zhì)量，降低樣品損害程度。美國高速高分辨率多光子顯微鏡實驗操作
多光子顯微鏡在生物醫(yī)學研究中有廣泛的應用，可以觀察細胞內(nèi)的亞細胞結構、蛋白質(zhì)分布、細胞活動等。美國嚙齒類多光子顯微鏡焦點激發(fā)
2020年，TonmoyChakraborty等人提出了加速2PM軸向掃描速度的方法[2]。在光學顯微鏡中，物鏡或樣品緩慢的軸向掃描速度限制了體成像的速度。近年來，通過使用遠程聚焦技術或電調(diào)諧透鏡(ETL)已經(jīng)實現(xiàn)了快速軸向掃描。但遠程對焦時對反射鏡的機械驅(qū)動會限制軸向掃描速度，ETL會引入球差和高階像差，無法進行高分辨率成像。為了克服這些限制，該小組引入了一種新的光學設計，可以將橫向掃描轉換為無球面像差的軸向掃描，以實現(xiàn)高分辨率成像。有兩種方法可以實現(xiàn)這種設計。***個可以執(zhí)行離散的軸向掃描，另一個可以執(zhí)行連續(xù)的軸向掃描。如圖3a所示，特定裝置由兩個垂直臂組成，每個臂具有4F望遠鏡和物鏡。遠程聚焦臂由振鏡掃描鏡(GSM)和空氣物鏡(OBJ1)組成，另一個臂(稱為照明臂)由浸沒物鏡(OBJ2)組成。兩個臂對齊，使得GSM與兩個物鏡的后焦平面共軛。準直后的激光束經(jīng)偏振分束器反射進入遠程聚焦臂，由GSM進行掃描，使OBJ1產(chǎn)生的激光焦點可以進行水平掃描。美國嚙齒類多光子顯微鏡焦點激發(fā)
