Mới đây, nhóm giáo sư Ngô Nhuận Long Đại học Khoa học và Công nghệ Thông tin Bắc Kinh phối hợp với nhóm giáo sư Tiêu Thục Mẫn Đại học Công nghiệp Cáp Nhĩ Tân, nhóm Phó giáo sư Vương Ái Dân Đại học Bắc Kinh và nhóm giáo sư Phùng Lệ Sảng Đại học Hàng không vũ trụ Bắc Kinh, nghiên cứu chế tạo thành công kính hiển vi quang đôi siêu thấu kính tổng hợp thế hệ thứ hai (Meta 2.0), lần đầu tiên thực hiện hình ảnh tỉ lệ tiếng ồn tự do của kính siêu thấu kính hiển vi quang đôi hành vi chuột. Kết quả cho thấy, siêu thấu kính không chỉ là khái niệm trong phòng thí nghiệm, mà còn có thể hỗ trợ hình ảnh chức năng não trong điều kiện hành vi tự nhiên của động vật chất lượng cao, hỗ trợ phát triển hình ảnh y sinh. Nghiên cứu "Compound metalens-based miniature two-photo microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals" được công bố trực tuyến trên tạp chí PhotoniX.

Ảnh chụp màn hình online

Kính hiển vi hai photon thu nhỏ đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu khoa học não để phân tích hoạt động của tế bào thần kinh trong não động vật trong trạng thái hành vi tự do. Hiện tại, kính hiển vi quang tử kép thu nhỏ hiệu suất cao đã đạt được những đột phá như độ phân giải không gian và thời gian cao, trường nhìn lớn, hình ảnh đa màu, v.v.^[1-3]Tuy nhiên, các kính hiển vi hai photon thu nhỏ hiệu suất cao hiện có vẫn phải đối mặt với vấn đề "không thể có cả cá và tay gấu" - khó có thể kết hợp hiệu suất hình ảnh cao với trọng lượng nhẹ hơn nữa của đầu dò: trọng lượng của chúng thường lớn hơn 2g (ví dụ FHIRM-TPM nặng 2,15g)^[1]Thông tin về FHIRM-TPM 2.0 重2.45g^[2]Thông tin về FHIRM-TPM 3.0 重2.6g^[3]、 UCLA 2P Miniscope nặng khoảng 4g^[4]), do đó, khó áp dụng cho các quan sát đa vùng não ở các động vật nhỏ nhạy cảm với trọng lượng như chim hót, dơi, chuột con và động vật nhỏ.

Công nghệ siêu thấu kính cung cấp khả năng phá vỡ nút cổ chai này, cung cấp những ý tưởng mới cho các hệ thống quang học kính hiển vi thu nhỏ với những ưu điểm như siêu mỏng, khẩu độ số cao và hiệu chỉnh quang sai thiết kế linh hoạt. Nhưng kính hiển vi photon kép thu nhỏ trước đây, dựa trên thiết kế siêu thấu kính đơn lẻ, khó giải quyết vấn đề trường nhìn bị hạn chế và quang sai ngoài trục lớn, hạn chế đáng kể ứng dụng thực tế của nó.

Nhóm dự án đã thiết kế kiến trúc siêu thấu kính composite (Hình 1a, b) cho "hình ảnh thứ cấp", tách chức năng quét khỏi chức năng lấy nét, phá vỡ xiềng xích cân bằng giữa trọng lượng, trường nhìn và độ phân giải của kiến trúc hình ảnh thu nhỏ truyền thống, cung cấp một cách tiếp cận mới để hình ảnh đa vùng não của động vật hoạt động tự do.

Hình 1 Cấu trúc và thiết kế của Meta-m2PM 2.0: (a) Sơ đồ kiến trúc thấu kính siêu cấu trúc tổng hợp để thực hiện hệ thống hình ảnh hai giai đoạn. D là đường kính chùm tia laser tới; MEMS là hệ thống vi cơ điện; FOVimage là trường nhìn tại mặt phẳng tiêu điểm; fscan là tiêu cự của ống kính quét; α là góc nghiêng MEMS; Theta là góc quét hai trục MEMS. (b) Hình dạng và dấu hiệu đường quang của cụm đầu dò Meta-m2PM 2.0. HC-920 là sợi lõi rỗng để truyền 920 nm; SFB là chùm sợi quang linh hoạt

Nhóm nghiên cứu chung tiếp tục thiết kế tỷ lệ chiều sâu và chiều rộng Si không nhạy cảm với phân cực áp dụng cho các photon kép₃N₄Thư viện tế bào, thông qua thiết kế phối hợp của vật kính siêu thấu kính hai lớp và kính quét siêu thấu kính góc lớn (Hình 2a, b), để đạt được tối ưu hóa băng tần kép của ánh sáng kích thích 920nm và bộ sưu tập huỳnh quang 500-560nm, để trọng lượng của vật kính giảm xuống một phần mười của vật kính thu nhỏ truyền thống, trọng lượng đầu dò chỉ 1,06g (Hình 2c, d). Một thế hệ mới của kính hiển vi siêu thấu kính composite thu nhỏ hai photon đã đạt được một số đột phá: mở rộng trường nhìn lên 350 × 330 µm²Tăng gấp 50 lần so với thế hệ đầu tiên; Độ phân giải ngang trung tâm đạt 1,17 µm, duy trì độ phân giải trên 80% ngay cả ở rìa của trường nhìn; Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã chụp rõ cấu trúc sợi trục tinh tế và hình ảnh hoạt động lâu dài của tế bào thần kinh ở độ sâu 210 µm ở chuột sống (Hình 2e).

Hình 2 Chuẩn bị siêu thấu kính so với kiểm tra hiệu suất đầu dò: (a) Sơ đồ các tế bào riêng lẻ. H là chiều cao (1.500 nm); L là chiều dài (90-350nm); P là chu kỳ (400nm). (b) Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của thấu kính siêu cấu trúc đã chuẩn bị: (i) Chế độ xem dương; b) Khu vực trung tâm; (iii) Vùng biên. (c) Ảnh của vật kính siêu thấu kính (MO, nặng 0,05 g) với vật kính FHIRM-TPM 3,0-U (3,0-U, nặng 0,5 g). (d) Ảnh của cụm đầu dò Meta-m2PM 2.0. (e) Hình ảnh bên trái: Hình ảnh cấu trúc của vỏ não M1 ở độ sâu 154 μm ở chuột biến đổi gen Thy1-YFPH cố định đầu. Phải: Hình ảnh canxi của tế bào thần kinh vỏ não M1 ở chuột thể hiện GCaMP6f ở độ sâu 210 μm

Trong các thí nghiệm hình ảnh não chuột hành vi tự do, nhóm nghiên cứu đã theo dõi ổn định hoạt động canxi của hơn 100 tế bào thần kinh, đạt được tỷ lệ tín hiệu tiếng ồn lên tới 7,6 và có thể theo dõi cùng một lô tế bào thần kinh trong thời gian dài (Hình 3 a-c). Nhờ thiết kế đầu dò siêu nhẹ 1,06g, Meta-m2PM 2.0 đã giảm đáng kể hiệu ứng quán tính và tăng độ ổn định so với các kính hiển vi photon kép thu nhỏ trước đây: 90% độ dịch chuyển trường nhìn dưới 5 µm trong các bài kiểm tra độ ổn định ngắn hạn và không quá 10 µm trong các quan sát dài hạn trên bầu trời (Hình 3d, e).

Hình 3 Áp dụng hình ảnh canxi của chuột di chuyển tự do Meta-m2PM 2.0: (a) Trái: Hình ảnh của chuột đeo Meta-m2PM 2.0; Phải: Quỹ đạo chuyển động của chuột 12 phút. (b) Trái: Hình ảnh ở độ sâu 190 μm của vỏ não M1 của chuột hoạt động tự do; Phải: Biểu đồ phân chia 122 tế bào thần kinh. (c) Tỷ lệ tín hiệu trên tiếng ồn (SNR) của chuyển tiếp canxi của tế bào thần kinh trong quá trình ghi 12 phút. (d) Chụp ảnh cùng một trường nhìn của vỏ não M1 với các vòng tròn đánh dấu các bộ phận của cùng một tế bào thần kinh được xác định nhiều lần trong các thí nghiệm khác nhau. (e) Tính ổn định ngắn hạn và dài hạn của hình ảnh. Trái: Một phân tích ổn định ngắn hạn về sự dịch chuyển của trường nhìn theo hướng x và y trong tám thí nghiệm (mỗi>600s) được thực hiện bởi ba con chuột trong điều kiện thăm dò tự do trường mở; Phải: Sự dịch chuyển trường nhìn dài hạn tương ứng với thí nghiệm trong (d)

Kết quả nghiên cứu đã thành công trong việc đạt được một bước đột phá đồng thời về trọng lượng siêu nhẹ, trường nhìn lớn, vỏ não sâu và độ phân giải cao bằng cách kết hợp sâu sắc công nghệ siêu thấu kính composite với công nghệ hình ảnh vi quang kép thu nhỏ. Công nghệ siêu thấu kính đã được thực hành hơn nữa, lần đầu tiên siêu thấu kính thu nhỏ kính hiển vi photon kép tự do hình ảnh chức năng não của động vật.

Trong tương lai, nghiên cứu công nghệ siêu thấu kính sẽ được mở rộng hơn nữa để hình ảnh đa màu hành vi tự do, quan sát đồng bộ đa vùng não, nghiên cứu liên loài (dơi, chim, gặm nhấm vị thành niên) và các giải pháp mạng thần kinh khác, hứa hẹn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như phân tích nguyên tắc nhận thức não, chẩn đoán sớm bệnh não và đánh giá thuốc thần kinh.

Tác giả đầu tiên của luận văn này là Hách Trạch Vũ và Trương Nghiêu, Đại học Công nghiệp Cáp Nhĩ Tân (Thâm Quyến) do Đại học Hàng không vũ trụ Bắc Kinh và Đại học Khoa học và Công nghệ thông tin Bắc Kinh phối hợp đào tạo; Tác giả thông tin chung là Giáo sư Ngô Nhuận Long, Giáo sư Tiếu Thục Mẫn, Đại học Công nghiệp Cáp Nhĩ Tân, Phó Giáo sư Vương Ái Dân, Đại học Bắc Kinh. Giáo sư Ngô Nhuận Long phụ trách ý tưởng tổng thể của dự án nghiên cứu, chủ đạo thiết kế và xây dựng hệ thống quang học cốt lõi; Giáo sư Tiêu Thục Mẫn chỉ đạo thiết kế và tối ưu hóa siêu thấu kính; Giáo sư Vương Ái Dân đã cung cấp hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho thí nghiệm hình ảnh sinh học. Dự án này nhận được sự hỗ trợ kinh phí của các dự án quan trọng như "Khoa học não và nghiên cứu não" năm 2030, Phòng thí nghiệm hình ảnh y sinh Bắc Kinh, Quỹ Khoa học tự nhiên quốc gia, Quỹ Khoa học tự nhiên Bắc Kinh, dự án nghiên cứu cơ sở thành phố Thâm Quyến, v. v.

[Liên kết gốc]

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Kính hiển vi hai photon nhỏ dựa trên kim loại hợp chất cho hình ảnh FOV lớn ở động vật hành vi tự do. PhotoniX 6, 57 (năm 2025).https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

[Tài liệu tham khảo]

1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, et al. Kính hiển vi hai photon thu nhỏ độ phân giải cao nhanh chóng cho hình ảnh não ở chuột hành vi tự do. Phương pháp Nat. 2017; 14(7):713–9.

2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, et al. Kính hiển vi hai photon thu nhỏ cho hình ảnh não mở rộng, đa phạm vi và dài hạn. Phương pháp Nat. 2021; 18(1):46–9.

3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q, et al. Một kính hiển vi hai photon thu nhỏ linh hoạt cho phép chụp ảnh não sâu đa màu. Phương pháp Nat. 2025; 22:1935-1943.

4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Hệ thống kính hiển vi 2 photon thu nhỏ có nguồn mở, hiệu suất cao cho động vật hành vi tự do. Nat Commun. 2025; 16(1):7125.