一种基于DMD的多模光纤波前整形接口，用于空间可寻址的光遗传学刺激

《Optics & Laser Technology》：A DMD-enabled multimode fiber wavefront shaping interface for spatially addressable optogenetic stimulation

　　

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  DMD驱动的MMF聚焦开关可在44微秒内切换至目标位置。
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  波前整形可生成2.5微米的焦点，功率比约为35。
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  支持单点、多点和扫描式激发。
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  在扰动、30分钟运行以及脑切片条件下对聚焦进行了表征。
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  培养神经元测试显示激活、抑制以及更强的钙响应。

引言

光遗传学刺激对光学递送系统提出了严苛的要求。递送的光必须具有空间约束性、时间精确性，并且能够到达用常规自由空间光学难以触及的目标。这些要求在细胞尺度刺激中尤为重要，因为散射和衰减的激发光会扩大有效刺激区域[1]。基于物镜的单光子刺激可提供高时间精确性，但其空间选择性往往受到散射、浅层光学可及性或稀疏视蛋白表达需求的限制[2]、[3]、[4]、[5]。红移视蛋白[6]、[7]、[8]和双光子激发[9]、[10]、[11]改善了穿透深度和空间选择性，但它们也带来了光学复杂度、激发效率、视场和实验灵活性方面的折衷。

光纤提供了一种紧凑型途径，可将光递送至常规光学难以到达的区域，已被广泛用于光遗传学刺激[12]、[13]、[14]。工程化光纤探头、锥形光纤和空间结构化光纤输出扩展了基于光纤的神经刺激功能。多模光纤（MMF）尤其引人注目，因为它们能在小占位面积内支持许多空间模式。然而，在常规MMF递送中，模间干涉会产生斑驳状的远场光斑，降低了空间约束性，并使细胞尺度的选择性刺激变得复杂。波前整形为控制光通过复杂介质和MMF的传输提供了一种方法。数字光相位共轭[15]、[16]、[17]、[18]、迭代优化[19]、[20]、[21]、衍射光学方法[22]、[23]、[24]以及基于传输矩阵（TM）的控制[25]、[26]、[27]、[28]已在多种光学配置中实现了MMF聚焦、成像和场控制。在这些方法中，基于TM的控制尤为有用，因为它在校准后可以生成用户自定义的输出场[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。

使用MMF波前整形进行光遗传学刺激不仅需要递送和形成光学焦点，还需要更快的切换和更灵活的目标照明能力[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。基于DMD的波前整形为控制光通过复杂介质和多模光纤的传输提供了一条高速途径。为此已开发了几种调制和校准策略。基于传输矩阵或条件概率重建的无参考二值振幅方法已实现无需干涉相位测量的MMF聚焦和光栅扫描，而对比研究表明了聚焦对比度、校准策略和优化速度之间的折衷[28]、[40]、[41]。基于DMD的全息方法为相位控制和预计算波前的快速回放提供了替代途径[13]、[42]、[43]。这些进展确立了DMD作为通过MMF进行空间控制的通用调制器的地位。

此外，MMF传输对机械变形的敏感性促使人们开发能够在光纤配置变化下维持或恢复聚焦的自适应方法[25]、[44]。将基于DMD的MMF控制应用于光遗传学的可行性也得到了证实。Zhong等人利用基于DMD的相位控制，通过1米MMF产生聚焦照明和快速光栅扫描，并在培养神经元中演示了选择性ChR2介导的激活[13]。这些研究确立了MMF聚焦、快速空间扫描、神经元激活和扰动自适应控制作为基于DMD的MMF系统的重要先验能力。

一个尚未解决的实际问题是，当将相关光学和生物学需求结合起来评估时，直接二值振幅DMD–MMF实现的光学折衷如何转化为细胞尺度光遗传学刺激的功能性能。直接二值振幅控制提供了一种无参考的基于强度的校准架构和直接二值回放，但其可达到的聚焦对比度取决于调制约束、受控自由度数、重建策略、MMF特性和分析方法。因此，确定由此产生的工作点对于空间选择性神经元调控（包括光遗传学激活和抑制）是否具有功能充分性仍然非常重要，并界定预校准系统的可用范围如何受到机械扰动、时间漂移、轴向位移以及光通过生物组织传播的限制。

在此，我们使用基于直接二值振幅调制和传输矩阵校准的DMD驱动MMF波前整形平台评估这些耦合的光学和功能性需求。该系统生成约2.5微米焦点，功率比约为35，并在44微秒内切换预计算的目标图案，支持单点、多点和扫描式激发。我们在受控光纤扰动下、30分钟运行期间、约1毫米的轴向重聚焦范围内以及光通过50–200微米厚固定小鼠脑切片后进行了聚焦表征。随后，我们将这些光学特性与培养神经元的功能实验相关联，在这些实验中，波前整形刺激支持空间定向的激活和抑制，并且在匹配的激发条件下产生比未整形的斑驳照明更强的钙响应或抑制。这些测量共同确立了实验验证的工作包络，将直接二值振幅MMF控制的光学特性与受控体外条件下双向细胞尺度光遗传学调控联系起来。系统的主要技术能力总结在表1和补充表1中。

章节摘要

系统搭建

所有光学元件均搭建在光学平台上（CleanTop-14–451-46，TMC）。使用半导体激光器（488 nm，150 mW；488LX，OBIS）作为激发光源。经空间滤波（P25H，Thorlabs）后，输出光束通过4f系统进行准直和扩束。然后，光束由数字微镜器件（DMD；微镜间距13.68 μm；±12°倾斜角；DLP7000，德州仪器）进行调制和反射，该器件提供对入射场的二值振幅调制。该DMD

通过多模光纤实现空间可寻址聚焦

我们构建了一个基于MMF的波前整形系统，用于在光纤端面以外实现空间约束的光遗传学刺激（图1a、补充图1和补充说明1）。该系统使用数字微镜器件（DMD）进行高速二值振幅调制，并使用二值传输矩阵（TM）策略进行经校准的MMF聚焦。DMD以最高22.7 kHz的帧速率运行，能够在全息预计算输入图案之间快速切换。在校准之后

讨论

本研究的主要进展是为细胞尺度光遗传学刺激建立了直接二值振幅DMD–MMF平台的定量光学-功能关联。先前的研究已经建立了无参考二值振幅MMF聚焦和光栅扫描、基于DMD的相位控制聚焦和光遗传学激活，以及在变化的MMF配置下的自适应波前控制。在这些基础上，本研究解决了一个尚未解决的

CRediT作者贡献声明

Jiajia Chen（陈佳佳）：撰写–原稿，验证，正式分析，概念化。Jichao Du（杜纪超）：方法学，概念化。Yue Zhu（朱悦）：可视化，方法学。Jiazhu Zhu（朱家柱）：验证，正式分析。Xintong Diao（刁鑫通）：可视化，数据管理。Zhenhong Du（杜震红）：验证，正式分析。Ting Pan（潘婷）：数据管理。Ke Si（司珂）：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，监督，资源，项目管理，调查，概念化。Wei Gong（龚伟）：撰写–审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究部分由国家科学技术2030—重大项目（2021ZD0200401）、浙江省重点研发计划（2024C03150、2025C01119）以及中央高校基本科研业务费（226-2026-00003）资助。我们感谢浙江大学医学院核心设施的林晓楠提供技术支持。

Jiajia Chen（陈佳佳）|Jichao Du（杜纪超）|Yue Zhu（朱悦）|Jiazhu Zhu（朱家柱）|Xintong Diao（刁鑫通）|Zhenhong Du（杜震红）|Ting Pan（潘婷）|Ke Si（司珂）|Wei Gong（龚伟）