光片荧光显微镜技术的新突破

美国加州理工学院的研究项目可能会对动物行为带来新的认知。

光片神经探针植入杆状物的光学显微镜图像（间距为141微米），纳米光子光栅在杆状物上发光形成光片（图片来源：加州理工学院）

光片荧光显微镜（LSFM）通过薄平面照明方式，限制射向脆弱生物组织样本的光强度。

这种方式通常是通过聚焦元件，直接由外部激光束产生激发光光片，但涉及到的光学元件可能无法对较大的活体样本或对自然非透明的动物成像。

据麦姆斯咨询介绍，微型发光元件是提高光片荧光显微镜适用性的关键因素，美国加州理工学院（California Institute of Technology，简称：Caltech）领导的研究团队现已开发出了小型神经探针，可以植入动物的大脑中并产生适合用于荧光成像的激发光。这项研究发表在Neurophotonics期刊上。

该研究团队在其论文中指出：“通过在大脑任意深处植入元件来产生光片，同时最大程度地减少组织移位，并保持与普通光片成像系统的兼容性，这仍然是一项未克服的艰巨挑战。我们使用晶圆级纳米光子技术突破了这项挑战，实现了无需额外微光学元件的可植入硅基光片光子神经探针。”

该探针使用纳米光子光栅耦合器组，周期性的蚀刻结构已经用于包括硅光子学在内的应用，在某些方向上衍射耦合光波，以创建一系列光波导。

根据论文描述，加州理工学院将其光栅耦合器集成到3毫米长、50到92微米厚的可植入的薄硅杆上，其锥度从82到60微米，逐渐变细，并且末端有尖锐的尖端。探针的设计适合在标准晶圆代工厂制造，以实现最终的扩展及大批量生产。

光片荧光显微镜技术的新突破

在实验中，这种探针首先被用于成像悬浮在琼脂中的荧光珠，然后是体外组织样本，最后是体内脑组织。对于体内脑组织，使用了团队最后设计的模型，光片神经探针插入的最大深度为200微米，并形成一定角度，使光片大致平行于大脑表面。

“这些探针具有5至10个可寻址的薄片，薄片平均厚度低于16微米，在自由空间中的传播距离可达300微米。”论文中描述，“脑组织中的成像区域高达240 x 490微米。”

该探针的形状和照明的几何形状最终应可以与梯度折射率（GRIN）透镜内窥镜和微型显微镜集成，从而有可能使光片荧光显微镜探测到比当前项目已验证深度更深的大脑组织。

它们也可以很容易地与目前正在开发的一种新型植入式神经探针兼容，该探针包含光电探测器阵列，其中单光子雪崩二极管（SPAD）和片上转换器可以将成像架构集成到单个CMOS集成电路中。

“这种可在大脑内产生光片的新型可植入光子神经探针技术，克服了许多在神经系统科学实验中使用光片荧光成像的限制。”加州理工学院的Wesley Sacher说，“我们预测，这项技术将带来光片显微镜的新突破，用于自由活动动物的大脑深部成像和行为实验。”

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