头戴式显微镜可对自由移动的小鼠进行长期脑成像

研究人员开发出第一台可拆卸的头戴式光声显微镜，用于对自由移动的小鼠的大脑活动进行成像。由于该设备可以在成像后移除，因此可以进行长期研究，从而揭示对神经退行性疾病和其他神经系统疾病的重要新见解。

“癫痫、阿尔茨海默病和帕金森病都可以严重中断神经血管耦合——神经活动与随后脑血流变化之间的联系，”来自中国南方科技大学的研究小组组长雷曦说。“我们的新探针非常适合研究神经血管耦合，因为它有可能同时捕捉神经元和血管网络的动态。”

新的显微镜探针仅重 1.8 克，基于光学分辨率光声显微镜 (ORPAM)，无需使用荧光标记或标签即可捕获大脑的解剖学和功能动力学。在 Optica Publishing Group 期刊Optics Letters中，Xi 和同事描述了他们如何优化新探头的设计，使其足够轻便，可以用于自由移动的小鼠。

“使用多光子或荧光成像的头戴式显微镜主要捕捉单个神经元的活动，”Xi 说。“我们的 ORPAM 探针可以捕获脑血管网络和大部分大脑皮层的血流动力学，具有毛细管水平分辨率，无需任何标记。”

微型化显微镜

这项新工作建立在研究人员之前为自由移动的老鼠建造的可穿戴 ORPAM 探测器的基础上。尽管它表现良好，但它必须永久固定在老鼠身上，而且又大又重，无法由老鼠携带，而老鼠是许多大脑研究的首选动物模型。

为了制作更小的探针，研究人员使用光学模拟计算仔细优化了显微镜的整个光路。他们还选择了高性能微型组件，包括非球面透镜、微机电系统 (MEMS) 扫描仪和定制的微型压电超声波检测器。

由此产生的探头重量不到成年小鼠体重的 10%，分辨率为 2.8 微米，可以成像 3×3 mm 2的大视野。为了使其可拆卸，研究人员采用了三对磁铁，将成像探头与附在老鼠头骨上的轻型安装底座连接起来。探头可以在成像后直接移除，然后重新安装，从而能够对自由移动的动物进行反复、长期的监测。

长期成像

在评估探针在模拟软组织的合成材料上的性能后，研究人员用它对小鼠大脑皮层中的血管网络成像 40 分钟。他们还进行了持续 7 天的长期监测实验。这些测试的结果表明，该探针可以在自由移动的小鼠中提供稳定且高质量的 ORPAM图像。