文章名称：Fast varifocal two-photon microendoscope for imaging neuronal activity in the deep brain
发表期刊：Biomedical Optics Express
发表日期：2017年9月
1 摘要
荧光显微内窥镜正成为深部大脑观测的一种有前途的成像方法。但是目前单焦平面的成像技术，不仅限制了成像速度，还影响记录三维神经环路的功能成像记录。在这里，我们提出了一种新颖的快速变焦双光子微内窥镜系统，配备了渐变折射率（GRIN）透镜和电可调透镜（ETL）。该系统具有快速变焦能力，可以7.5–15帧/秒对多个相距85–120 µm的焦平面进行成像，结果展示了对小鼠脑部海马体和杏仁核等脑区的成像。
2 背景
大脑综合功能，诸如感觉，知觉，认知和运动等受到分布在不同大脑区域神经元网络的支持。自从双光子显微镜在1990年被研制成功进入神经科学领域之后，极大提高了我们对大脑神经元和神经环路的认识。但是，典型的双光子显微镜只能成像位于1 mm深度内的神经元，这使我们无法更全面地了解整个大脑如何工作。
目前，有三种主要方法可用于体内深层大脑成像，特别是在小鼠身上。首先，皮层下神经元可以通过外科手术切除覆盖的皮层组织后，再植入成像窗口进行成像，这种方法侵入性高。其次，使用波长较长（> 1,000 nm）的激光作为双光子显微镜或三光子显微镜的光源，长波长可减少组织对光子的瑞利散射，而更高阶的非线性效应如三光子激发，可提高成像的成像深度。最后，基于GRIN或光纤的显微内窥镜可实现“超深度”可视化大脑深部神经元。GRIN镜头相比于光纤，通常具有较大的视野和具有更大的焦距范围，无疑更有前途。
快速可调的聚焦功能充分利用微型内窥镜的潜力可帮助研究者研究深部大脑回路的三维结构。为了满足这一需求，我们开发了一种快速的变焦双光子微型内窥镜系统，由GRIN透镜、ETL和直立的台式两光子显微镜组成。ETL是一种聚合物透镜，通过电磁执行器施加不同压力，可改变曲率，进而调节焦平面变化，具备更快的光学聚焦能力。我们在小鼠体内深部脑区，如CA1海马和杏仁核进行了准同时多焦平面成像，论证系统成像的可行性。
3 内窥镜系统组成
图 1 快速变焦双光子微内窥镜
快速变焦双光子内窥镜系统由一个直立台式双光子显微镜、ETL和GRIN透镜组成（图1a），整个视场（FOV）的直径约为1.2 mm，激发光源是飞秒脉冲可调谐激光器。GRIN透镜通过预先植入的不锈钢引导套管插入大脑（图1b和c），ETL的焦深由电流控制驱动器（Thorlabs LD1255R）控制，显微镜控制器在开始扫描每帧图像时持续采集。
4 结果
4.1 快速变焦双光子微内窥镜的基本特性
通过对荧光微球成像来测量微内窥镜的分辨率。完整系统x和z轴的点扩散函数半高宽（FWHM）分别为2.3 µm和62.5 µm。不带GRIN透镜的双光子显微镜的点扩散函数半高宽分别为1.9 µm和19.4 µm（图2）。
图 2 双光子微内窥镜的空间分辨率
接下来，我们对ETL实现的焦距可调性进行了表征，主要通过外加控制电压和可调节焦点的偏移。图3b和c揭示了控制电压与控制电流，控制电压与焦点移动的良好线性关系。图3d比较了使用ETL和z轴步进电机在不同焦深下获得的图像。图3e展示了在ETL的整个调节范围内，xy平面（左）和xz平面（右）轴的点扩散函数。
图 3 控制电压与焦点的关系
随后，我们评估ETL快速变焦成像的准确性和稳定性。以30 fps的速率获取荧光微珠的图像，每隔一帧向电流驱动器施加1 V的矩形电压脉冲（图4a）。图4b展示了使用z轴步进电机和ETL对相距340 µm的荧光微珠双平面的成像结果，图4c展示了ETL随时间快速切换平面的能力。我们对切换平面与参考平面1（REF1）和参考平面2（REF2）进行二维相关分析，用以评估电调谐透镜ETL的准确性。二维相关系数展示了切换平面与参考平面良好的相关性。结果表明其具备快速切换平面，进行双平面同时成像的能力。
图 4 双光子微内窥镜的快速和可重复变焦能力
4.2 小鼠神经元活动的快速多焦点深部脑成像
为了展示其在“超深”功能神经回路成像中的潜力，我们使用变焦双光子内窥镜系统对麻醉小鼠的杏仁核回路进行神经元记录。Thy1小鼠在距大脑表面约4 mm深的杏仁核神经元中强烈表达G-CaMP7和DsRed2。图5a为Thy1小鼠的冠状脑切片成像结果。图5b为使用该变焦双光子微型内窥镜系统进行的杏仁核G-CaMP7（顶部绿色）和DsRed2（中间红色）荧光图像结果。图5c展示了使用0 V（左）和0.35 V（右）电压控制的ETL在杏仁核中获得的荧光图像，图5d为相应的荧光强度记录。
总体而言，ETL可用于快速变焦双光子微内窥镜，这种快速的变焦功能将增强我们对深层大脑（如海马和杏仁核）的神经元网络功能的三维成像研究。它不仅可用于啮齿动物大脑，还可延伸到诸如猴等较大动物的大脑。原则上，我们在此处演示的ETL变焦方法可应用于任何GRIN镜片。
图 5 双光子微内窥镜对小鼠海马区神经环路的自发活动进行成像
5 小结
我们开发了一种快速变焦双光子微内窥镜系统，该系统可以对深脑区不同深度的神经元活动进行高速同步成像，成像视野足够宽，可以轻松定位成像区域，且通过ETL调焦。我们对小鼠的海马区和杏仁核进行了准同时多焦平面成像，论证该快速变焦双光子微内窥镜系统成像的可行性。
参考文献
Sato M, et al. Fast varifocal two-photon microendoscope for imaging neuronal activity in the deep brain. Biomed Opt Express. 2017;8(9):4049-4060.
