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2025年10月15日，香港科技大学瞿佳男教授等在Nature communications发表：Rapid adaptive optics enabling near noninvasive high-resolution brain imaging in awake behaving mice，揭示了快速自适应光学技术（一种用于高速测量并校正光学系统像差的先进技术）实现清醒活动小鼠的近无创高分辨率脑成像。

本研究开发了一种快速、精确的自适应光学系统MD-FSS可实现在体深层组织的高分辨率多光子成像。该系统能在约0.1秒内测量并校正组织引起的像差与散射，结合双光子显微镜，透过近乎无创的颅骨窗口，在清醒活动小鼠脑中实现硬脑膜下600 μm深度的亚细胞分辨率成像。研究揭示了清醒与麻醉状态下小胶质细胞和微血管功能的显著差异并成功实现了对神经元结构、微血管网络及神经血管耦合的高分辨率动态观测，为在生理状态下研究脑功能提供了强大工具。

图一 MD-FSS能够通过强散射介质实现快速像差测量，用于自适应光学校正

MD-FSS通过光束复用和多通道数字FFT解调，显著加快了像差测量速度。该技术利用声光偏转器生成多个具有不同频率和空间偏移的弱扫描光束。通过快速光栅扫描和双光子荧光信号的多频解调，可在约0.1秒内获取多个欠采样点扩散函数（PSF）。结合校准后的相对振幅与相位偏移，可重建出完整的复值E-PSF，并用于计算校正波前。研究采用了一种简单高效的双棱镜结构。使用8束并行扫描使测量速度提升8倍。体外实验表明，MD-FSS校正后信号增强50倍，PSF恢复至接近衍射极限，性能与单光束方法（SD-FSS）相当，但速度大幅提高。

结果：

在清醒活动小鼠中，快速测量至关重要。由于运动伪影，传统慢速方法（SD-FSS）无法准确测得PSF，甚至引入额外像差；而MD-FSS凭借其高速度能在运动干扰下稳定测量并有效校正颅骨引起的像差，实现硬脑膜下600 μm深度的亚细胞分辨率成像。该方法适用于双光子显微镜，为清醒动物的高分辨率脑功能研究提供了强大工具。

图二 清醒活动小鼠脑内小胶质细胞形态与动态的活体高分辨率成像

在验证MD-FSS快速准确校正像差的能力后，研究进一步评估其在清醒活动的Cx3Cr1-GFP小鼠中对小胶质细胞高分辨率成像的性能。小胶质细胞是中枢免疫细胞对生理状态高度敏感。利用MD-FSS在小鼠自由活动时进行自适应光学校正，显著提升了成像质量。

结果：

通过比较清醒与麻醉状态下的延时成像发现，麻醉（异氟烷）导致小胶质细胞分支增多、突起扩张，覆盖面积增大，表明麻醉会显著改变其形态和功能。在脂多糖（LPS）诱导炎症后，高分辨率成像清晰显示小胶质细胞突起缩短、向血管迁移，同时血管直径增加，反映了神经炎症反应。此外，MD-FSS在光学透明化颅骨窗口下同样有效，可在不同深度恢复小胶质细胞的亚细胞结构。结果表明，MD-FSS适用于多种近无创颅骨窗口，为在生理状态下研究小胶质细胞动态提供了可靠工具。

图三 清醒活动小鼠体感皮层和视觉皮层神经元胞体及树突的钙成像

神经元活动受生理状态影响，麻醉会干扰其正常功能，因此在清醒动物中研究至关重要。本研究利用MD-FSS-2PM技术，在表达GCaMP6s的清醒小鼠中实现了体感皮层和视觉皮层神经元的高分辨率钙成像。

在体感皮层触须刺激期间，自适应光学校正前神经元结构模糊，钙信号弱且信噪比差；校正后，胞体和顶端树突清晰可见，钙瞬态信号显著增强并与刺激高度同步，实现了树突水平的功能解析。结合远程聚焦与变形镜，实现了多平面成像。校正后，多个深度的神经元结构清晰，揭示了胞体与树突间的同步活动。在视觉皮层，视觉刺激期间校正后的成像清晰分辨出神经元胞体和树突，成功识别出具有方向选择性的神经元及其树突响应，展示了高分辨率功能成像在解析神经元特异性功能中的优势。

本研究开发了MD-FSS高速自适应光学技术，可在约0.1秒内校正清醒小鼠脑组织的像差与散射，实现透过颅骨窗口的深层（达600 μm）亚细胞分辨率成像。该研究实现了清醒活动小鼠大脑的高速、近无创、高分辨率成像，克服了传统麻醉干扰和组织像差难题，为在生理真实状态下解析神经元、胶质细胞及血管的动态功能与相互作用提供了关键技术，推动了活体脑科学的研究。