神经科学领域长期面临视野深度不可兼得的困境：传统双光子显微镜视野大但止步于浅层皮层；三光子虽能深入脑区，视野却被压缩至微米级。康奈尔大学与波士顿大学团队在Nature Methods发表突破性研究《A large field-of-view, single-cell-resolution two-and three-photon microscope for deep and wide imaging》，推出DEEPscope显微镜。该技术以 3.5毫米直径视野穿透小鼠大脑1毫米深，同步记录4523个神经元活动，首次实现“全景深脑成像” 。

核心突破者：Aaron T. Mok（康奈尔大学）、Tianyu Wang（波士顿大学）、Chris Xu（康奈尔大学）。

重要发现
01深脑大视野成像 
实验设计：
对转基因小鼠（表达GCaMP6s钙指示剂）进行活体成像，结合1320nm三光子激发与自适应光路优化。

关键结果：
在1048微米深度（小鼠海马区）实现3.23×3.23mm²视野成像（图2），相当全脑切片80%面积。

轴向分辨率达5微米，清晰分辨皮层L6层神经元胞体及海马CA1区轴突（图2b）。

对比突破：传统三光子视野仅0.04mm²，DEEPscope扩大80倍。

02 活体神经元动态追踪
  实验场景 ： 清醒小鼠皮层L6层（600μm深）钙信号记录，结合自适应激光规避血管阴影。
性能数据 ： 917个神经元同步记录：4Hz帧率捕捉自发钙瞬变（图3b），信噪比（d'）达2.3。

激光功率降低47%（224mW→119mW），规避热损伤风险。

技术意义：首次在厘米级视野实现千细胞级深脑活动解析。

03 双、三光子联用成像

技术核心：
时空复用技术同步驱动920nm双光子与1320nm三光子光束（图5a）。

颠覆性成果：
6焦平面同步扫描：浅层（320–400μm）双光子以2.2Hz体速率成像，深层（600μm）三光子以11Hz帧率扫描。

总计4523个神经元活动同步记录，覆盖全皮层纵深。

应用价值：为跨脑区神经环路研究提供动态全景地图。

04 跨物种全脑成像验证

实验对象：
成年斑马鱼（全脑表达H2B-GCaMP6s），穿透头骨扫描。

成像能力：深度1090微米，视野3.23mm，解析端脑、小脑区细胞核（图6）。首次实现脊椎动物全脑无创三维渲染，单层耗时≤1.7分钟。

创新与亮点
01自适应光路系统
血管阴影实时规避（图1c）：预扫描定位血管，成像中动态屏蔽对应区域激光。
功耗降低53%：在119mW安全功率下激发深层信号，突破热损伤限制。

02 双脉冲分束引擎
20ns延迟双光束 （图1d）：将三光子脉冲重复率从2MHz等效提升至4MHz。
多边形振镜扫描 ：42°光学偏转角+6kHz线速，帧率较传统振镜提升6倍。

03 模块化平民设计  
即插即用组件 ：自适应模块、分束延迟环等可集成于常规显微镜。
成本与空间优化 ：占地仅0.8m²，成本不足商用高端设备1/3。

总结与展望
DEEPscope通过自适应光路、脉冲分束、多边形振镜三大革新，首次统一深脑成像的“深度”与“广度”。其3.5mm视野下单细胞分辨能力，已在小鼠皮层、海马及斑马鱼全脑验证价值，为神经疾病机制研究提供全新工具。

未来进化方向：
光源升级：更高能激光支持8光束并行，帧率可突破30Hz。
探针协同：结合jGCaMP8s钙指示剂（信号强度提升4倍），实现毫秒级神经冲动解析。
无创拓展：整合颅骨透明窗技术，避免开颅手术，推动阿尔茨海默病等长期动态研究。

如同为大脑装上广角哈勃望远镜，DEEPscope正带领人类驶向神经宇宙的暗物质区。这项技术不仅将重塑脑科学工具链，更为癫痫、帕金森等疾病的精准干预点燃曙光。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Mok, A.T., Wang, T., Zhao, S. et al. A large field-of-view, single-cell-resolution two- and three-photon microscope for deep and wide imaging. eLight 4, 20 (2024).

https://doi.org/10.1186/s43593-024-00076-4