Vor kurzem hat das Team von Prof. Wu Runlong von der Pekinger Universität für Informationstechnologie gemeinsam mit dem Team von Prof. Shao Shumin von der Harbin University of Technology, dem Team von Adjunkt-Prof. Wang Aimin von der Pekinger Universität und dem Team von Prof. Feng Lishuang von der Pekinger Luft- und Raumfahrtsuniversität erfolgreich das zweite Generation des kombinierten Ultralinsenmikroskops mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis entwickelt (Meta-m2PM 2.0). Die Ergebnisse zeigen, dass die Ultralinse nicht mehr nur ein Laborkonzept ist, sondern eine qualitativ hochwertige Bildgebung der Gehirnfunktion unter natürlichen Verhaltensbedingungen von Tieren unterstützt und die Entwicklung biomedizinischer Bilder unterstützt. Das Forschungsarbeit „Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals“ wurde in der Zeitschrift „PhotoniX“ mit einem durchschnittlichen Einflussfaktor von 5 Jahren von 19,3 veröffentlicht.

Screenshot der Arbeit

Das miniaturisierte Doppelfotonmikroskop hat sich zu einem wichtigen Werkzeug in der Hirnwissenschaftsforschung entwickelt, um die neuronale Aktivität von Tieren in freien Verhaltenszuständen zu analysieren. Derzeit hat ein hochleistungsfähiges miniaturisiertes Doppelfotonmikroskop Durchbrüche wie eine hohe Raum-Zeit-Auflösung, ein großes Sichtfeld und eine mehrfarbige Bildgebung erreicht.^[1-3]Allerdings stehen bereits bestehende hochleistungsstarke mikroskopische Doppelfotonmikroskope immer noch vor der Herausforderung, dass Fisch und Bären nicht gleichzeitig funktionieren können - es ist schwierig, eine hohe Bildleistung mit einer weiteren Leichtung der Sonde zu vereinbaren: Sie wiegen in der Regel mehr als 2 g (z. B. FHIRM-TPM 2,15 g).^[1]mit FHIRM-TPM 2.0 重2.45g^[2]mit FHIRM-TPM 3.0 重2.6g^[3]、 UCLA 2P Miniscope wiegt etwa 4 g^[4]Daher ist es schwierig, auf mehrheirnige Beobachtungen von kleinen, gewichtssensitiven Tieren wie Sängervögeln, Fledermäusen, Jungen und Kleintieren anzuwenden.

Die Ultra-Linsen-Technologie bietet die Möglichkeit, diese Engpässe zu durchbrechen und bietet neue Ideen für mikroskopische optische Systeme mit Vorteilen wie ultradünnen, hohen numerischen Aperturen und flexibler Konstruktion wie Differenzkorriktur. Bisher basierte das mikroskopische Doppelphotonmikroskop auf dem Design einer einzigen Superlinse jedoch auf dem Problem des begrenzten Sichtfelds und des abweichenden Außenausbildes, was seine praktische Anwendung stark einschränkte.

Das Projektteam entwarf eine kombinierte Hyperlinsis-Architektur für die "Sekundäre Bildgebung" (Abbildungen 1a, b), die die Scan- und Fokussfunktion entkoppelt, die das Gleichgewicht zwischen Gewicht, Sichtfeld und Auflösung der herkömmlichen Miniaturbildgebungsarchitektur bricht und eine neue Methode für die Multicerebrale Bildgebung von frei bewegenden Tieren bietet.

Abbildung 1 Struktur und Design des Meta-m2PM 2.0: (a) Darstellung der Architektur einer komponierten superstrukturierten Linse, die ein zweistufiges Bildgebungssystem implementiert. D ist der Durchmesser des Laserstrahls; MEMS steht für Mikroelektromechanische Systeme. FOVimage fokussiert das Sichtfeld auf der Ebene; fscan ist die Brennweite des gescannten Objektivs; α für MEMS Neigungswinkel; θ ist ein MEMS-Scanwinkel. (b) Form und optische Darstellung der Meta-m2PM 2.0-Sondekomponente. HC-920 ist eine Luftkernfaser für die Übertragung von 920 nm; SFB für flexible Faserbündel

Das gemeinsame Team entwickelte weiter ein hohes Tiefenbreitenverhältnis Si, das polarisierungsunempfindlich für Doppelphotonen angewendet wird₃N₄Die Zellbibliothek, durch die gemeinsame Konstruktion von Doppelschicht-Ultra-Objektive mit einem großen Winkel-Ultra-Scan-Spiegel (Abbildung 2a, b), erreicht eine doppelbandige Optimierung von 920 nm excitiertes Licht mit 500-560 nm Fluoreszenz Sammlung, so dass das Objektivgewicht auf ein Zehntel des herkömmlichen Miniaturobjektivs reduziert wird, Sondengewicht nur 1,06 g (Abbildung 2c, d). Neue Generation von Mikro-Doppelfotonmikroskop mit Composite-Ultra-Linsen erzielt Durchbrüche: Erweitertes Sichtfeld auf 350 x 330 µm²mehr als 50 Mal höher als die erste Generation Die zentrale horizontale Auflösung beträgt 1,17 µm und kann auch am Sichtfeldrand eine Auflösung von über 80% aufrechterhalten. Darüber hinaus erfasst das Forschungsteam klare Bildgebung der feinen Axonstruktur von lebenden Mäusen und der Langzeitaktivität von Neuronen in einer Tiefe von 210 µm (Abbildung 2e).

Abbildung 2 Ultralinsenvorbereitung und Sondeneigenschaften-Test: (a) Schema einzelner Zellen. H für Höhe (1.500 nm); L für Länge (90-350 nm); P ist die Periode (400 nm). b) ein Scan-Elektronenmikroskop-Bild der hergestellten superstrukturierten Linse: i) eine positive Ansicht; ii) Zentrale Gebiete; iii) Randgebiete. (c) Fotos von Ultraobjektiven (MO, Gewicht 0,05 g) und FHIRM-TPM 3,0-U Objektiven (3,0-U, Gewicht 0,5 g). (d) Foto der Meta-m2PM 2.0-Sondekomponente. (e) Bild links: Strukturelle Bildgebung der M1-Kortes in einer Tiefe von 154 μm mit Thy1-YFPH-genetisch veränderten Mäusen, die den Kopf festgelegt haben. Bild rechts: Kalzium-Bildgebung von M1-Kortikalneuronen in Mäusen, die GCaMP6f ausdrücken, in einer Tiefe von 210 μm

In freien Gehirnbildgebungsexperimenten bei Mäusen verfolgte das Team stabil die Kalziumtaktivität von mehr als hundert Neuronen, erreichte ein Signal-Rausch-Verhältnis von 7,6 und konnte die gleiche Gruppe von Neuronen langfristig verfolgen (Abbildung 3a-c). Dank des ultraleichten Sondenentwurfs von 1,06 g ist der Trägheitseffekt des Meta-m2PM 2.0 im Vergleich zu früheren miniaturisierten Doppelphotonmikroskopen erheblich reduziert und die Stabilität verbessert: 90% der Sichtfeldverschiebung ist bei kurzfristigen Stabilitätstests weniger als 5 µm und bei langfristigen Beobachtungen nicht mehr als 10 µm (Abbildung 3d, e).

Abbildung 3 Kalzium-Bildgebung von Meta-m2PM 2.0 frei aktiven Mäusen: (a) Links: Foto von Mäusen, die Meta-m2PM 2.0 tragen; Rechts: 12 Minuten Mausbewegung. (b) Links: 190μm Tiefe Bild in der M1 Kortex der freien Aktivität Mäuse; Rechts: Aufteilung von 122 Neuronen. (c) Transparentes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des neuronalen Kalziums während der 12-minütigen Aufzeichnung. (d) Das gleiche Sichtfeld der M1-Kortex wurde an unterschiedlichen Tagen abgebildet und die Kreise zeigten Teile der gleichen Neuronen, die in verschiedenen Experimenten wiederholt erkannt wurden. e) Kurz- und Langzeitstabilität der Bildgebung. Links: Kurzfristige Stabilitätsanalyse der x- und y-Sichtfeldverschiebung in acht Experimenten (jeweils > 600s) unter freien Erkundungsbedingungen bei drei Mäusen; Rechts: Langfristige Sichtfeldverschiebung, die dem Experiment in (d) entspricht

Durch die tiefe Integration der Composite-Ultralens-Technologie mit der miniaturisierten Dual-Photon-Mikrobildgebungstechnologie konnten die Ergebnisse erfolgreich gleichzeitig Durchbrüche in den Bereichen Ultraleichtes Gewicht, großes Sichtfeld, Tiefkortex und hohe Auflösung erzielen. Die Technologie der Ultralinse wird weiter in die Praxis eingesetzt, um erstmals die funktionelle Bildgebung des Gehirns von Tieren mit einem Mikroskop mit einer Mikrolinse zu realisieren.

In Zukunft wird die Forschung in der Technologie der Ultralinse weiter auf die Analyse von neuronalen Netzwerken wie die freie Verhaltensmultifarbige Bildgebung, die synchrone Beobachtung von mehreren Hirnregionen und die Studie über Arten hinweg (Fledermäuse, Vögel, junge Nagetiere) ausgedehnt werden, was eine wichtige Rolle in den Bereichen Analyse der kognitiven Prinzipien des Gehirns, Frühdiagnose von Gehirnerkrankungen und Neurologische Medikamentebewertung spielen wird.

Der erste Autor der Arbeit ist Hao Zeyue und Zhang Yao von der Technischen Universität von Harbin (Shenzhen), die gemeinsam von der Pekinger Universität für Luft- und Raumfahrt und der Pekinger Universität für Informationstechnologie ausgebildet wurde; Mitverfasser der Mitteilung sind Professor Wu Runlong von der Pekinger Universität für Informationstechnologie, Professor Xu Shumin von der Harbin University of Technology und Associate Professor Wang Aimin von der Pekinger Universität. Prof. Wu Runlong ist für die Gesamtkonzeption des Forschungsprojekts verantwortlich und leitet die Konstruktion und den Aufbau des Kernoptischen Systems; Prof. Xu Shumin leitet das Design und die Optimierung der Ultralinsen; Prof. Wang Aimin bietet wichtige technische Unterstützung für Bioimaging-Experimente. Das Projekt wurde finanziell unterstützt durch das Großprojekt „Hirnwissenschaften und Hirnoähnliche Forschung“ 2030, das Pekinger Labor für Biomedizinische Bildgebung, den Nationalen Naturwissenschaftlichen Fonds, den Pekinger Naturwissenschaftlichen Fonds und das Grundlagenforschungsprojekt der Stadt Shenzhen.

[Original-Link]

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Zusammengesetztes Metallens-basiertes Miniatur-Zwei-Photonen-Mikroskop für große FOV-Bildgebung bei frei verhaltenden Tieren. PhotoniX 6, 57 (2025).https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

[Referenz]

1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, et al. Schnelle hochauflösende Miniatur-Zwei-Photonen-Mikroskopie für Gehirnbildgebung bei frei verhaltenden Mäusen. Nat Methoden. 2017; 14(7):713–9.

2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, et al. Miniatur-Zwei-Photonen-Mikroskopie für vergrößertes Sichtfeld, Mehrebene und Langzeitbildgebung des Gehirns. Nat Methoden. 2021; 18(1):46–9.

3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q et al. Ein vielseitiges Miniatur-Zwei-Photonen-Mikroskop, das mehrfarbige Deep-Hirn-Bildgebung ermöglicht. Nat Methoden. 2025; 22:1935-1943.

4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Open-Source, leistungsstarke Miniatur-2-Photonen-Mikroskopie-Systeme für frei verhaltende Tiere. Nat Commun. 2025; 16(1):7125.