全脑尺度多模态显微成像技术：同步捕捉清醒小鼠钙信号与血流动力学的突破

《Nature Communications》：A cortex-wide multimodal microscope for simultaneous Ca2+ and hemodynamic imaging in awake mice

本研究针对神经血管耦合机制研究中成像技术单一、时空分辨率不足的难题，开发了集成宽场钙成像（Ca2+）、光学分辨率光声显微镜（OR-PAM）和激光散斑对比成像（LSCI）的多模态显微镜（multiScope）。该系统首次实现了全脑皮层范围内神经元活动、总血红蛋白（HbT）及血流速度（CBFv）的同步高分辨率成像，空间分辨率达微米级，最高成像速度4 Hz。通过麻醉和电惊厥模型实验，揭示了神经活动与血流动力学的动态耦合规律，为阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病机制研究提供了全新工具。

　　

大脑作为人体最复杂的器官，其功能依赖于神经元活动与血流供应之间的精细协调，这一过程被称为神经血管耦合（Neurovascular Coupling）。神经血管耦合的失调与多种重大脑疾病密切相关，包括阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化等。然而，由于大脑活动的动态性和空间分布的广泛性，如何在全脑尺度上同时捕捉神经元放电与血流变化的细节，一直是神经科学领域的重大挑战。传统成像技术如功能磁共振成像（fMRI）虽能覆盖全脑，但空间分辨率有限；而多光子显微镜虽具备高分辨率，却难以覆盖大面积脑区。更关键的是，现有技术大多只能单独观测神经或血流信号，无法真正同步揭示二者的相互作用机制。

为解决这一难题，南方科技大学席磊团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，成功研制出名为“multiScope”的多模态显微镜。该系统首次将宽场钙成像（Ca²⁺ fluorescence microscopy）、光学分辨率光声显微镜（OR-PAM）和激光散斑对比成像（LSCI）集成于一体，能够在清醒小鼠的全脑皮层范围内，同步记录神经元钙信号、总血红蛋白（HbT）浓度和血流速度（CBFv）的变化，且空间分辨率达到微米级，最高成像速度可达4 Hz。

关键技术方法

研究团队通过优化旋转扫描机制，结合超快激光调制、自适应血管激发和稀疏采样策略，显著提升了OR-PAM的成像速度与安全性。系统采用无限校正光学设计，确保三种模态的视场兼容性（直径8.6 mm）。成像数据通过深度学习模型（如U-Net分割和Transformer超分辨率重建）进行增强处理，并利用转基因小鼠（Thy1-GCaMP6f）的内源性GCaMP6f钙指示蛋白和血红蛋白作为对比源，避免了外源性标记的干扰。

系统性能验证

multiScope的成像视场覆盖小鼠全脑皮层（图2d），OR-PAM和宽场成像的平均空间分辨率分别为7.1±0.8 μm和10.7±3.1 μm（图2f,g）。在高速成像测试中，OR-PAM可达4 Hz帧率，而sCMOS相机支持的宽场成像可达16.6 Hz（图2h-j）。

麻醉诱导的神经血管响应

通过异氟烷麻醉模型，研究发现麻醉迅速抑制神经元钙信号，同时引起HbT和CBFv升高（图3a-c）。高频信号（0.04–0.1 Hz）的跨模态相关性在麻醉期间显著降低，苏醒后恢复，表明神经血管耦合的动态可逆性（图3i-k）。这一现象提示，麻醉可能通过影响血管平滑肌细胞钙调控机制，间接扰乱神经血管耦合。

癫痫模型中的单血管级响应

在电惊厥诱导的癫痫模型中，multiScope成功捕捉到神经元钙信号陡升后1秒内HbT与CBFv的跟随性变化（图4b-d）。相关分析显示，不同血管对神经活动的响应存在异质性：部分小动脉呈现血流加速但血红蛋白浓度下降的“解耦合”现象（图4i-k）。这种空间异质性可能源于血管解剖结构的差异，例如表面动脉与硬脑膜小动脉的调节机制不同。

结论与意义

multiScope首次实现了全脑尺度下神经活动与血流动力学的同步、高分辨率成像，突破了传统技术视场、分辨率与速度不可兼得的限制。其采用的内源性对比成像策略避免了外源性标记的干扰，更贴近生理状态。研究不仅为神经血管耦合机制提供了全新观测维度，还为脑疾病模型（如癫痫、麻醉效应）的病理生理研究提供了强大工具。未来，结合更高数值孔径物镜与新型钙指示蛋白（如jGCaMP8），multiScope有望进一步揭示毛细血管水平的神经调控细节，推动脑科学从宏观到微观的跨尺度整合。