[发明专利]一种微型化自适应光学双光子荧光成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种微型化自适应光学双光子荧光成像系统及方法，该成像系统包括：激光光源装置，其用于输出激发光；微型探头装置，其用于接收激光光源装置输出的激发光，并产生荧光信号；以及用于根据活体样本内部的组织平面成像视场的各等晕区的平均波前畸变分布，对各等晕区进行波前校正；波前检测装置，其与微型探头装置连接，用于检测平均波前畸变分布；去扫描构件，其用于在波前检测装置检测平均波前畸变分布之前，实时补偿微型探头装置产生的等晕区离轴效应；荧光成像装置，其用于采集微型探头装置输出的荧光信号，完成活体样本内部组织平面的成像。本发明能够实现具有可在自由活动的动物中进行大视场、高时空分辨率、深层生物组织成像。

技术领域

本发明涉及双光子荧光成像技术领域，特别是涉及一种微型化自适应光学双光子荧光成像系统及方法。

背景技术

在自由活动的动物中直接记录神经元活动是研究动物行为与神经功能之间的关系最直接有效的方法之一。在之前的很长一段时间里，这一任务都是通过电生理学途径(electrophysiological approach)来执行的。近些年来，光学成像特别是荧光显微技术在这项任务中起了越来越重要的作用。相比于电生理方法，光学成像最大的优势是其具有非侵入性以及更大的成像视野和更多的可观察目标。而与普通的单光子荧光成像技术相比，双光子显微镜具有更好的光学切片能力和更深的穿透深度。这使得双光子显微镜成为利用荧光成像对大脑神经元观察中最重要和最广泛使用的工具。同时，为了观测清醒动物在活动状态下的神经活动，研究者通常会将大型的台式双光子显微镜进行改造，加入一些模拟运动的装置例如跑步机或者转轮等等；但实验时必须将小鼠的头部固定在显微镜镜头之下，仅仅不限制躯干的活动，用这种方式来模拟真实的运动。随着研究的深入，科学家发现这种模拟暴露出许多的弊端。首先，人们认为这种模拟不能反映真实的活动状态。因为动物例如小鼠真实活动中所需要参与的很多过程，例如身体的扭动，周围环境的线索，重力的转换等等在头部固定式都不具备。其次，许多经典的行为学研究，例如恐惧，社交和探索等等无法在头部固定时实现。

所以，从2001年开始，人们就开始尝试制造微型的，可以安装在动物头部如大鼠或小鼠头部的，可以在其完全自由活动时进行荧光成像的微型双光子显微镜系统。从2001年美国Denk教授课题组尝试制作的25g小型双光子显微镜到2011年Kerr教授课题组制作的5g微型双光子显微镜。科学家进行了数次尝试，然而都没有达到很理想的效果。总体来讲，由于微型双光子显微镜将所有的光学镜片尺寸都进行了大大的缩减，使得整体的光学质量很难控制。再加上微小的镜头之间的装配和耦合很难跟大型镜片一样好。更重要的是，小型的物镜由于镜片数量的限制，对由样本引入的畸变更加敏感。所有这些问题导致微型化双光子显微镜无法达到跟大型台式双光子显微镜一样的高分辨率成像。这极大的限制了微型化双光子显微镜的推广和应用。

另一方面，自适应光学在天文学，眼底检查以及显微成像领域，都被很好的利用，以纠正由系统和样板带来的畸变，进而提高像质。特别是在大型的台式双光子显微镜中，已有人尝试利用自适应光学来纠正像差，提高成像质量。然而，由于常规的自适应光学系统需要复杂的波前检测装置和波前矫正装置，整体体积巨大，是无法应用在微型化双光子显微镜当中的。所以，只有提出新的自适应光学方案，设计新的自适应光学系统，使用新的微型自适应光学器件，才能将自适应光学与微型双光子显微镜结合，进而提高微型化双光子显微镜的成像质量。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型化自适应光学双光子成像系统及方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。