Récemment, l'équipe du professeur Wu runlong de l'Université des sciences et technologies de l'information de Beijing, en collaboration avec l'équipe du professeur Xiao shumin de l'Université de technologie de Harbin, l'équipe du professeur agrégé Wang Aimin de l'Université de Beijing et l'équipe du professeur Feng Li Shuang de l'Université de l'aéronautique et de l'espace de Beijing, a développé avec succès un microscope à deux photons miniaturisé à ultralentille composite de deuxième génération (Meta - m2pm 2.0), réalisant pour la première fois la microscopie à deux photons miniaturisée à ultralentille pour l'imagerie Les résultats suggèrent que l'hyperlentille n'est plus seulement un concept de laboratoire, mais peut soutenir l'imagerie fonctionnelle du cerveau dans des conditions comportementales naturelles de haute qualité chez les animaux, contribuant au développement de l'imagerie biomédicale. L’article de recherche Compound metalens - based miniature Two - photon microscope for Large - FOV Imaging in freely behaving Animals a été publié en ligne dans photonix (facteur d’impact moyen sur 5 ans de 19,3).

Capture d'écran du papier en ligne

La microscopie à deux photons miniaturisée est devenue un outil important dans la recherche en sciences du cerveau pour analyser l'activité neuronale dans le cerveau des animaux dans un état de comportement libre. À l'heure actuelle, le microscope à deux photons miniaturisé haute performance a réalisé une résolution spatio - temporelle élevée, un grand champ de vision, une imagerie multicolore et d'autres percées^[1-3]Cependant, les microscopes à deux photons miniaturisés à haute performance existants sont toujours confrontés au dilemme « poisson et paume d’ours ne sont pas les deux» – il est difficile de concilier des performances d’imagerie élevées avec une légèreté accrue de la sonde: son poids est généralement supérieur à 2 G (par exemple fhirm - TPM pèse 2,15 g).^[1]avec FHIRM-TPM 2.0 重2.45g^[2]avec FHIRM-TPM 3.0 重2.6g^[3]、 Le miniscope UCLA 2p pèse environ 4G^[4]), il est donc difficile de l'appliquer à l'observation de zones multicéphaliques de petits animaux sensibles au poids tels que les oiseaux chanteurs, les chauves - souris, les jeunes souris, ainsi que de petits animaux.

La technologie ultralens offre la possibilité de briser ce goulot d'étranglement, qui offre de nouvelles idées pour les systèmes optiques de microscope miniaturisés grâce à des avantages tels que la finesse ultra - légère, l'ouverture numérique élevée, la conception flexible de la correction des aberrations, etc. Mais les microscopes à deux photons miniaturisés précédents, basés sur une conception à ultra - lentille unique, ont du mal à résoudre les problèmes de champ de vision limité et de grandes aberrations hors axe, ce qui limite considérablement leur application pratique.

L’équipe du projet a conçu une architecture d’hyperlentille composite pour « l’imagerie secondaire » (figure 1a, b), découplant les fonctions de balayage et de mise au point, brisant le joug de l’équilibre entre le poids, le champ de vision et la résolution des architectures d’imagerie miniaturisées traditionnelles, offrant ainsi une nouvelle approche de l’imagerie des zones cérébrales multiples chez les animaux en mouvement libre.

Figure 1 Structure et conception de Meta - m2pm 2.0: (A) Représentation schématique de l'architecture d'une lentille Composite superstructurale permettant de réaliser un système d'imagerie à deux étages. D est le diamètre du faisceau laser incident; Le MEMS est un Microsystème électromécanique; Fovimage est le champ de vision au plan focal; Fscan est la distance focale de la lentille de balayage; α est l'angle d'inclinaison du MEMS; θ est l'angle de balayage Biaxial du MEMS. B) schéma du profil et du chemin optique de l'ensemble de sondes Meta - m2pm 2.0. HC - 920 est une fibre à coeur vide pour la transmission à 920 nm; Sfb pour Flexible Fiber Beam

L'équipe conjointe poursuit la conception du rapport hauteur - profondeur - Largeur si insensible à la polarisation appliquée aux photons doubles₃N₄La Banque de cellules, grâce à la conception collaborative d'un objectif hyperlenticulaire à double couche avec un objectif hyperlenticulaire à grand angle (Figure 2A, b), permet une optimisation bi - bande de la lumière d'excitation de 920 nm avec une collection de fluorescence de 500 - 560 nm, de sorte que le poids de l'objectif est réduit à un dixième de celui d'un objectif miniaturisé traditionnel et que le poids de la sonde n'est que de 1,06 G (figure 2c, d). La nouvelle génération de microscopes à deux photons miniaturisés à ultralentille composite a permis de nombreuses percées: le champ de vision a été élargi à 350 × 330 µm²Plus de 50 fois supérieur à la première génération; Résolution latérale centrale jusqu'à 1,17 µm, permettant de maintenir une résolution supérieure à 80% même sur les bords du champ de vision; Et, l'équipe de recherche a clairement capturé l'imagerie de la structure axonale fine et de l'activité prolongée des neurones à une profondeur de 210 µm chez des souris vivantes (figure 2e).

Figure 2 préparation de l'hyperlentille avec test de performance de la sonde: (A) une représentation schématique des cellules individuelles. H est la hauteur (1500 nm); L est la longueur (90 - 350nm); P est la période (400 nm). B) image au microscope électronique à balayage de la lentille superstructurale préparée: i) vue de face; Ii) la zone centrale; Iii) zones marginales. C) Objectif ultra - objectif (Mo, poids 0,05 g) avec objectif fhirm - TPM 3.0-u (3,0 - U, poids 0,5 g). D) photographies des composants de la sonde Meta - m2pm 2.0. (e) À gauche: imagerie structurale du cortex M1 à 154 µm de profondeur chez des souris transgéniques thy1 - yfph dont la tête est fixée. Droite: imagerie calcique de neurones corticaux M1 de souris exprimant gcamp6f à une profondeur de 210 µm

Dans des expériences d'imagerie cérébrale de souris comportementales libres, l'équipe de recherche a suivi de manière stable l'activité calcique de plus d'une centaine de neurones, atteignant un rapport signal sur bruit de 7,6 et pouvant suivre le même lot de neurones à long terme (Figure 3 a - c). Grâce à la conception de la sonde ultra - légère de 1,06 G, l'effet d'inertie du Meta - m2pm 2.0 est considérablement réduit par rapport aux microscopes à deux photons miniaturisés du passé et la stabilité est améliorée: 90% des déplacements du champ de vision sont inférieurs à 5 µm lors d'essais de stabilité à court terme et ne dépassent pas 10 µm lors d'observations à long terme à travers le ciel (figure 3D, e).

Figure 3 imagerie calcique de souris libres Meta - m2pm 2.0 appliquées: (A) à gauche: photo de souris portant Meta - m2pm 2.0; Droite: piste de mouvement de souris de 12 minutes. (b) gauche: image à 190 µm de profondeur dans le cortex M1 de souris en mouvement libre; Droite: carte de segmentation de 122 neurones. C) Le rapport signal sur bruit (SNR) des transitoires neuronaux du calcium pendant l’enregistrement de 12 minutes. D) imagerie du même champ de vision du cortex M1 à différents jours, avec des cercles indiquant des parties de neurones identiques qui ont été identifiés à plusieurs reprises dans différentes expériences. E) stabilité à court et à long terme de l'imagerie. Gauche: analyse de la stabilité à court terme du déplacement du champ dans les directions x et y dans 8 expériences (chaque fois > 600 s) réalisées avec trois souris dans des conditions d'exploration libre en champ ouvert; Droite: déplacement du champ de vision à long terme correspondant à l'expérience en (d)

Les résultats de la recherche ont réussi à réaliser des percées simultanées de poids ultra - léger, de grand champ de vision, de Cortex profond et de haute résolution en fusionnant en profondeur la technologie d'ultralentille composite avec la technologie miniaturisée de micro - imagerie à deux photons. La technologie d'ultralens est encore plus pratique pour réaliser la première représentation fonctionnelle de cerveau d'animal de comportement libre de microscopie à deux photons miniaturisée d'ultralens.

À l'avenir, la recherche sur la technologie de l'hyperlentille s'étendra davantage à l'imagerie polychromatique comportementale libre, à l'observation synchrone de zones cérébrales multiples, à la recherche interspécifique (chauves - souris, oiseaux, rongeurs juvéniles) et à d'autres domaines de la résolution des réseaux neuronaux, qui devraient jouer un rôle important dans La résolution des principes cognitifs du cerveau, le diagnostic précoce des maladies cérébrales, l'évaluation des médicaments neuronaux, etc.

Le premier auteur de l'article est Hao zeyu et Zhang Yao de l'Université de technologie de Harbin (Shenzhen), formés conjointement par l'Université de l'aérospatiale de Beijing et l'Université des sciences et technologies de l'information de Beijing; Les auteurs co - correspondants sont le professeur Wu runlong de l'Université des sciences et technologies de l'information de Beijing, le professeur Xiao shumin de l'Université de technologie de Harbin et le professeur associé Wang Aimin de l'Université de Beijing. Le professeur Wu runlong est responsable de la conception globale du projet de recherche et dirige la conception et la construction du système optique de base; Professeur shumin Xiao dirige la conception et l'optimisation des ultralentilles; Le professeur Wang Aimin a fourni un soutien technique clé pour les expériences d'imagerie biologique. Ce projet a reçu le soutien financier du projet majeur 2030 « Brain Science and brain - like Research », du laboratoire d'imagerie biomédicale de Beijing, du Fonds national des sciences naturelles, du Fonds des sciences naturelles de la ville de Beijing, du projet de recherche fondamentale de la ville de Shenzhen, etc.

[lien vers l'original]

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Microscope à deux photons en miniature à base de métalens composés pour l'imagerie FOV de grande taille chez les animaux se comportant librement. PhotoniX 6, 57 (2025).https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

[Références]

1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, et al. Microscopie miniature à deux photons à haute résolution rapide pour l'imagerie cérébrale chez les souris se comportant librement. Méthodes Nat. 2017; 14(7):713–9.

2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, et al. Microscopie miniature à deux photons pour l'imagerie cérébrale à long terme et à champ de vue élargi. Méthodes Nat. 2021; 18(1):46–9.

3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q, et al. Un microscope à deux photons en miniature polyvalent permettant l'imagerie cérébrale profonde multicolore. Méthodes Nat. 2025; 22:1935-1943.

4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Systèmes de microscopie miniature à 2 photons à haute performance à source ouverte pour les animaux se comportant librement. Nat Commun. 2025; 16(1):7125.