开源高性能微型双光子显微镜系统实现自由行为动物深层神经活动成像

研究人员开发了开源UCLA 2P Miniscope微型双光子显微镜系统，解决了传统单光子(1P)显微镜在自由行为动物中成像深度不足和光学切片能力有限的问题。该系统采用硅基光子探测器实现4倍光收集效率，可记录海马区位置细胞、皮层树突及620μm深度的齿状回颗粒细胞钙活动，成本低于1万美元，为神经环路研究提供了突破性工具。

　　

在神经科学研究领域，观测自由活动动物的神经细胞动态一直是重大技术挑战。传统单光子(1P)微型显微镜虽能实现自由行为观测，但存在可见光散射严重、成像深度受限等问题，难以解析深层脑区如海马体齿状回(DG)的神经活动，也无法清晰捕捉树突等精细结构的钙瞬变。而台式双光子(2P)显微镜虽具备深层成像能力，却需要固定动物头部，严重制约了自然行为研究。这一矛盾促使美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究团队开发了革新性解决方案。

《Nature Communications》最新发表的这项研究，由Blake A. Madruga领衔的跨学科团队完成了UCLA 2P Miniscope的研发。这款仅重4克的开源微型显微镜，创新性地整合了双光子激发、电调谐透镜(ETL)和硅光电倍增管(SiPM)探测器，实现了445μm×380μm视野下980nm横向分辨率，可穿透完整海马组织记录620μm深处的齿状回颗粒细胞活动。其开放式设计使整套系统构建成本控制在7500美元以下，大幅降低了双光子自由行为成像的技术门槛。

关键技术方法包括：1)采用空心光子带隙光纤传输920nm飞秒激光；2)集成2mm MEMS扫描镜和电调谐透镜实现150μm轴向聚焦调节；3)双SiPM探测器实现71.39%的光收集效率；4)3D打印机械外壳配合Zemax优化的光学系统；5)通过Suite2P和DeepLabCut分析钙信号与行为数据。研究使用GCaMP6f/7f/8f转基因小鼠，在CA1、视网膜皮层(RSC)和DG区域进行验证实验。

UCLA 2P miniscope设计及性能指标

光学仿真显示系统数值孔径(NA)达0.36，实测横向分辨率980nm，轴向分辨率10.18μm。电调谐透镜可实现±75μm的焦平面调节，配合720μm工作距离的定制物镜。双SiPM探测器方案比传统光纤束传导效率提升4倍，使系统能清晰分辨200nm荧光微球和皮层切片中的树突棘。

自由行为动物的钙动态解析

在CA1区记录中，系统单次会话可捕获110±8个活跃神经元，成功识别32个具有空间放电特性的位置细胞。视网膜皮层实验首次实现自由行为下树突与胞体钙瞬变同步记录，发现两者活动高度相关(r=0.82)。最突破性的成果是在完整海马组织中记录到深度达620μm的齿状回颗粒细胞活动，这些细胞呈现典型稀疏放电特性，空间信息含量显著。

讨论与意义

该研究通过多项创新设计平衡了性能与实用性：1)电调谐透镜简化了轴向扫描机制；2)开放式3D打印结构使月产量可达50台；3)双色检测支持GCaMP与mCherry同时成像。相比同类系统，其优势在于深层成像能力（较1P系统提升300μm穿透深度）和亚细胞分辨率（可分辨树突级结构），同时保持4g超轻重量。这为研究海马体在空间导航、记忆形成中的深层神经机制提供了全新工具，特别有助于探索成人神经发生等前沿问题。所有设计文件已在GitHub开源，将推动自由行为多光子成像技术的普及应用。