Recientemente, el equipo del Profesor Wu runlong de la Universidad de Ciencia y tecnología de la información de beijing, junto con el equipo del Profesor Xiao shumin de la Universidad Tecnológica de harbin, el equipo del Profesor asociado Wang Aimin de la Universidad de Pekín y el equipo del Profesor Feng lishuang de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de beijing, desarrolló con éxito El microscopio de dos fotones miniaturizado de superlente compuesta de segunda generación (meta - m2pm 2.0), logrando por primera vez una imagen de alta relación señal - ruido de las neuronas de ratón de comportamiento libre del microscopio de dos fotones miniaturizado de superlente. Los resultados relevantes muestran que la hiperlente ya no es solo un concepto de laboratorio, sino que puede apoyar imágenes funcionales cerebrales de alta calidad y comportamiento natural de los animales y ayudar al desarrollo de imágenes biomédicas. El trabajo de investigación "compround Metals - base Miniature two - PHOTON MICROSCOPE for Large - fov Imaging in freely behaving animals" se publica en línea en photonix (factor de influencia promedio de 5 años 19.3).

Captura de pantalla de la tesis en línea

El microscopio de dos fotones miniaturizado se ha convertido en una herramienta importante en la investigación científica del cerebro para analizar la actividad neuronal del cerebro animal en estado de comportamiento libre. En la actualidad, el microscopio de dos fotones miniaturizado de alto rendimiento ha logrado avances en alta resolución espacio - temporal, gran campo de visión e imágenes multicolor.^[1-3]. Sin embargo, los microscopios de dos fotones miniaturizados de alto rendimiento existentes todavía se enfrentan al problema de que "los peces y las patas de oso no pueden tener ambos" - es difícil tener en cuenta el alto rendimiento de imagen y el mayor peso de la sonda: su peso es generalmente superior a 2G (por ejemplo, el fhirm - TPM pesa 2,15g)^[1]FHIRM y TPM 2.0 重2.45g^[2]FHIRM y TPM 3.0 重2.6g^[3]、 UCLA 2p miniscope pesa alrededor de 4G^[4]Por lo tanto, es difícil aplicarlo a la observación de áreas multicerebrales de pequeños animales sensibles al peso como pájaros cantores, murciélagos, ratas jóvenes y pequeños animales.

La tecnología de supercontajes ofrece la posibilidad de romper este cuello de botella, y ofrece nuevas ideas para el sistema óptico de microscopía en miniatura gracias a sus ventajas de ultraligereza, Apertura numérica alta y diseño flexible de corrección de errores. Sin embargo, el microscopio de dos fotones en miniatura diseñado anteriormente sobre la base de una sola superlente era difícil de resolver los problemas de campo de visión limitado y gran distorsión fuera del eje, lo que limitaba en gran medida su aplicación práctica.

El equipo del proyecto diseñó una arquitectura de superlente compuesta de "imágenes secundarias" (figura 1a, b), que desvincula las funciones de escaneo y enfoque, rompiendo el yugo de equilibrio entre el peso, el campo visual y la resolución de la arquitectura de imagen miniaturizada tradicional y proporcionando nuevos métodos para la imagen multicerebral de animales libres.

Figura 1 Estructura y diseño de meta - m2pm 2.0: (a) diagrama esquemático de la arquitectura de lente superpuesta compuesta para implementar un sistema de imágenes de dos niveles. D es el diámetro del haz láser incidente; Los Sistemas microelectromecánicos son sistemas microelectromecánicos; Fovimage es el campo de visión en el plano focal; Fscan es la distancia focal de la lente de escaneo; Alfa es el ángulo de inclinación de la microelectrónica; Theta es el ángulo de escaneo Biaxial de microelectromes. B) esquema de la forma y el camino óptico del conjunto de la sonda meta - m2pm 2.0. HC - 920 es una fibra óptica de núcleo vacío para la transmisión de 920 nm; El sfb es un haz de fibra óptica flexible.

El equipo conjunto diseñó además un si de alta relación profundidad - ancho insensible a la polarización aplicado a dos fotones.₃N₄El Banco celular, a través del diseño colaborativo de la lente de superlente de doble capa y la lente de escaneo de superlente de gran ángulo (figura 2a, b), realiza la optimización de doble banda de luminiscencia de 920 nm y recolección de fluorescencia de 500 - 560 nm, lo que reduce el peso de la lente a una décima parte del objetivo miniaturizado tradicional, y el peso de la sonda es de solo 1,06 g (figura 2c, d). La nueva generación de microscopía de dos fotones en miniatura de superlentes compuestas ha logrado varios avances: el campo de visión se ha ampliado a 350 × 330 micras², más de 50 veces más que la primera generación; La resolución lateral del Centro es de 1,17 micras, incluso en el borde del campo de visión se puede mantener una resolución de más del 80%; Además, el equipo de investigación capturó claramente imágenes de actividad neuronal prolongada en la estructura del Axón fino y la profundidad de 210 micras en ratones vivos (figura 2e).

Figura 2 preparación de superlentes y prueba de rendimiento de la sonda: (a) diagrama esquemático de una sola célula. H es la altura (1500nm); L es la longitud (90 - 350 nm); P es el ciclo (400 nm). B) imágenes del microscopio electrónico de barrido de la lente superpuesta preparada: (i) vista frontal; Ii) zona central; Iii) zonas marginales. (c) foto del objetivo hiperlente (mo, 0,05 G de peso) y el objetivo fhirm - TPM 3.0 - u (3.0 - u, 0,5 g de peso). D) foto del conjunto de la sonda meta - m2pm 2.0. (e) izquierda: imagen estructural de la corteza m1 a 154 micras de profundidad en ratones transgénicos thy1 - ypfh con cabeza fija. Derecha: imagen de calcio de las neuronas de la corteza M1 de ratones que expresan gcamp6f a una profundidad de 210 micras

En el experimento de imágenes cerebrales de ratones de comportamiento libre, el equipo de investigación rastreó de manera estable la actividad de calcio de más de 100 neuronas, logrando una relación señal - ruido de 7,6 y rastreando el mismo lote de neuronas durante mucho tiempo (figura 3 a - c). Gracias al diseño de la sonda ultraligera de 1.06g, el efecto inercial de meta - m2pm 2.0 se reduce considerablemente en comparación con el microscopio de dos fotones miniaturizado anterior y la estabilidad mejora: el 90% del desplazamiento del campo visual en las pruebas de estabilidad a corto plazo es inferior a 5 micras y el desplazamiento no supera los 10 micras en las Observaciones a largo plazo a través del cielo (figura 3d, e).

Figura 3 imagen de calcio de ratones libres meta - m2pm 2.0 aplicados: (a) izquierda: foto de ratones que usan meta - m2pm 2.0; Derecha: trayectoria de movimiento del ratón durante 12 minutos. B) izquierda: imagen a 190 micras de profundidad en la corteza M1 de ratones en movimiento libre; Derecha: mapa de segmentación de 122 neuronas. (c) relación señal - ruido (snr) de los transeúntes de calcio de las neuronas durante el registro de 12 minutos. (d) imágenes del mismo campo visual de la corteza M1 en diferentes días, con círculos marcados con partes de las mismas neuronas identificadas repetidamente en diferentes experimentos. E) estabilidad a corto y largo plazo de las imágenes. Izquierda: análisis de estabilidad a corto plazo del desplazamiento del campo visual en las direcciones X e y en ocho experimentos realizados en tres ratones en condiciones de exploración libre de campo abierto (cada vez > 600s); Derecha: correspondiente al desplazamiento del campo de visión a largo plazo del experimento en (d)

Los resultados de la investigación lograron avances de peso ultra ligero, gran campo de visión, corteza profunda y alta resolución al mismo tiempo mediante la integración profunda de la tecnología de lentes súper compuestas y la tecnología de imágenes microscópicas de dos fotones miniaturizadas. La tecnología de superlente se ha practicado aún más, y por primera vez se ha realizado la imagen funcional del cerebro animal de comportamiento libre del microscopio de dos fotones en miniatura de superlente.

En el futuro, la investigación de la tecnología de lentes se ampliará aún más al análisis de redes neuronales, como la imagen multicolor de comportamiento libre, la observación simultánea de regiones multicerebrales y la investigación entre especies (murciélagos, aves, roedores jóvenes), y se espera que desempeñe un papel importante en el análisis de principios cognitivos cerebrales, el diagnóstico temprano de enfermedades cerebrales y la Evaluación de medicamentos neuronales.

El primer autor de la tesis es Hao zeyu, formado conjuntamente por la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing y la Universidad Tecnológica de Harbin (shenzhen) Zhang yao; Los autores de la comunicación conjunta son el Profesor Wu runlong de la Universidad de Ciencia y tecnología de la información de beijing, el Profesor Xiao shumin de la Universidad Tecnológica de Harbin y el Profesor asociado Wang Aimin de la Universidad de pekín. El Profesor Wu runlong es responsable de la concepción general del proyecto de investigación y lidera el diseño y construcción del sistema óptico central; El profesor Xiao shumin guía el diseño y optimización de supercontajes; El profesor Wang Aimin proporcionó soporte técnico clave para experimentos de imágenes biológicas. Este proyecto cuenta con el apoyo financiero de 2030 "brain Science and Brain - like research", laboratorio de imágenes biomédicas de beijing, Fundación Nacional de ciencias naturales de china, Fundación de ciencias naturales de beijing, proyecto de investigación básica de Shenzhen y así sucesivamente.

[enlace al texto original]

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Microscopio de dos fotones en miniatura basado en metalenes compuestos para imágenes de FOV grande en animales que se comportan libremente. PhotoniX 6, 57 (2025).https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

[referencias]

1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, et al. Microscopía de dos fotones en miniatura rápida de alta resolución para imágenes cerebrales en ratones que se comportan libremente. Métodos Nat. 2017; 14(7):713–9.

2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, et al. Microscopía de dos fotones en miniatura para el campo de visión ampliado, la imagen cerebral multiplano y a largo plazo. Métodos Nat. 2021; 18(1):46–9.

3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q, et al. Un microscopio de dos fotones en miniatura versátil que permite la imagen cerebral profunda multicolor. Métodos Nat. 2025; 22:1935-1943.

4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Sistemas de microscopía en miniatura de 2 fotones de alto rendimiento de código abierto para animales que se comportan libremente. Nat Común. 2025; 16(1):7125.