多パラメータ・定量的な脳機能イメージング用の高スループット二光子顕微鏡を開発(High-throughput Two-photon Microscope Developed for Multiparameter and Quantitative Brain Function Imaging)

2026-09-07 中国科学院(CAS)

中国科学院深圳先进技术研究院の研究チームは、広視野・高速データ取得を実現する大視野デュアル領域二光子蛍光寿命イメージング顕微鏡(LD-2P-FLIM)を開発し、PNASで発表した。従来の二光子顕微鏡は、視野(FOV)が狭く、撮像範囲を広げると時間分解能が低下するほか、蛍光強度だけでは得られる情報量に限界があった。新システムは、市販光学部品と適応光学技術を組み合わせ、大きな空間帯域幅積(SBP)と高いデータスループットを実現。2つの独立した走査系と時間多重化により、広視野内の任意の2領域を同時撮像でき、最大15.73メガピクセル/秒のデータ取得速度を達成した。覚醒マウスの実験では、大規模な神経細胞集団におけるカルシウム濃度を定量的に可視化することにも成功。脳機能イメージングを定性的観察から定量計測へ進展させる技術として、非侵襲型ブレイン・コンピューター・インターフェースへの応用が期待される。

<関連情報>

多パラメータおよび定量的脳機能イメージングのための広視野二領域二光子蛍光寿命イメージング顕微鏡(LD-2P-FLIM) Large-FOV, dual-region, two-photon fluorescence lifetime imaging microscopy (LD-2P-FLIM) for multiparameter and quantitative brain function imaging

Shiwei Ye, Yufeng Gao, Mengying Deng, +18 , and Wei Zheng
Proceedings of the national Academy of Sciences  Published:August 7, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2536213123

多パラメータ・定量的な脳機能イメージング用の高スループット二光子顕微鏡を開発(High-throughput Two-photon Microscope Developed for Multiparameter and Quantitative Brain Function Imaging)

Abstract

Large-scale imaging of multiple dynamic behaviors and quantitative neurochemical concentrations with high spatiotemporal resolution is essential for understanding complex brain functions. Two-photon microscopy (TPM) is ideally suited for in vivo brain function imaging because of its high resolution and deep tissue penetration. However, conventional TPM is limited by a restricted field-of-view (FOV), an inherent trade-off between the imaging area and temporal resolution, and an insufficient amount of information obtained using only intensity recording. Here, we propose large-FOV, dual-region, two-photon fluorescence lifetime imaging microscopy (LD-2P-FLIM) for multiparameter and quantitative brain function imaging, with a 3 × 3 mm2 FOV, a uniform lateral resolution of 0.7 μm, and a FLIM throughput of up to 15.73 megapixels/s (512 × 512 pixels, 30 Hz, two regions). We extend the FOV by breaking the limit of commercial objectives with an effective adaptive optics strategy. To alleviate the trade-off between the imaging area and temporal resolution, we use a temporal multiplexing system that enables simultaneous and flexible two-region imaging across the large FOV. Furthermore, we develop a field programmable gate array module to demultiplex fluorescence signals from different regions and perform high-throughput, two-region FLIM. We demonstrate the superior performance of LD-2P-FLIM by simultaneous monitoring of neural activities across multiple cortical areas, synchronous recording of neurovascular coupling under both physiological and pathological conditions, long-term observation of the microglial response to local neuron injury, and quantitative imaging of calcium concentrations across a large neuronal population in vivo.

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