MiniXL：开源大视场微型荧光显微镜实现小鼠单细胞分辨率及多脑区同步成像

为突破现有微型显微镜视场(FOV)限制并实现多脑区同步成像，加州大学洛杉矶分校团队开发出仅3.5克重的MiniXL微型显微镜。该设备具备3.5毫米直径大视场、4.4微米分辨率及23fps成像速度，成功应用于海马CA1区空间编码、双侧前额叶皮层(mPFC)社交行为及mPFC-伏隔核(NAc)环路研究。作为UCLA Miniscope生态系统的开源设备，其显著降低了神经科学领域的技术门槛。

　　

神经科学研究长期面临一个关键挑战：如何在自由活动的动物中同时捕获多脑区神经元的动态活动？传统头戴式微型显微镜受限于狭小的视场(FOV)，难以观测跨脑区神经协同机制。更棘手的是，现有大视场设备往往因重量问题仅适用于大鼠，而作为主流模型的小鼠却缺乏合适的成像工具。这一技术瓶颈严重制约了人们对复杂行为（如社交、空间导航）背后神经环路机制的理解。

针对这一难题，加州大学洛杉矶分校的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表了突破性成果。他们开发出名为MiniXL的3.5克超轻微型显微镜，通过创新的光学设计实现3.5毫米直径大视场与4.4微米单细胞分辨率，并首次在自由活动小鼠中完成双侧mPFC同步成像及mPFC-NAc环路研究。这项技术将神经成像的时空尺度推向新高度，为解密全脑神经网络动态提供了革命性工具。

研究团队采用四大核心技术：1）基于Zemax优化的四片式消色差透镜组实现大视场低像差光学系统；2）集成5MP CMOS传感器(MT9P031)与电润湿透镜(EWL)实现1.9±0.2mm电动调焦；3）九轴头部朝向传感器(BNO055)捕捉100Hz行为数据；4）单同轴电缆(CW2040-3650SR)传输系统确保小鼠活动自由度。实验采用C57BL6/J小鼠，通过AAV病毒递送GCaMP6f钙指示剂，结合梯度折射率(GRIN)透镜植入靶向特定脑区。

【系统设计】光学仿真显示300μm场曲内保持1.9mm工作距离，1951 USAF分辨率靶测试证实4.4μm分辨率。相比V4版本，MiniXL信噪比提升9倍，且重量仅3.5g不影响小鼠行为（图S3）。

【海马成像】通过1.8mm GRIN透镜对植入dCA1区，在2米线性轨道上记录到1640个神经元，其中51.2%具有空间编码特性（图2）。开放场实验中，34.8%的神经元展现稳定位置野，覆盖整个竞技场（图3），证实设备对空间记忆研究的适用性。

【双侧mPFC研究】创新性采用双1mm透镜同步成像左右mPFC。社交互动中，11.99%神经元被显著激活（SE），7.92%被抑制（SI），且双侧神经活动相关性显著高于物体探索阶段（P=0.0173）（图4），首次揭示社交行为的跨半球神经同步特征。

【mPFC-NAc环路】通过0.5mm/8.4mm长透镜组合，配合逆行AAV标记技术，成功同步记录投射特异性mPFC神经元与NAc活动（图5），为奖赏环路研究建立新范式。

这项研究标志着微型显微镜技术进入新纪元。MiniXL不仅解决了大视场与轻量化的矛盾，其开源特性（GitHub可获取全部设计）更将加速神经科学发现。尤为重要的是，该设备首次实现自由活动小鼠的多脑区细胞级成像，为研究跨脑区信息整合（如决策、情绪编码）提供不可替代的工具。研究者特别指出，双侧mPFC数据揭示了社交行为中前所未有的神经同步模式，而mPFC-NAc同步记录则为研究皮层-边缘系统互动树立标杆。随着该技术在全球实验室的普及，有望催生对神经精神疾病（如自闭症、成瘾）环路机制的新认识。