活体大脑中的高分辨率光学成像已成为研究动物行为背后神经回路（neural circuits）可塑性和功能的有力工具。基因编码的荧光指示剂和光学成像使对活体动物神经元结构和功能的选择性标记和观察成为可能，这改变了神经回路的研究。此类技术需要将光聚焦到脑组织内。由于折射率不均匀引起的随机光散射，单细胞分辨率的功能成像探测深度通常在1 毫米的量级 。即使对于厘米级的小鼠大脑，这种穿透深度也将大脑区域的光学成像限制在了浅表层，因此除非采用侵入式手段，否则大部分大脑仍然无法进行高分辨率光学成像。尽管功能磁共振成像和基于超声的方法等宏观和介观成像模式可以对深层大脑结构进行成像，但它们缺乏对理解神经回路至关重要的单细胞分辨率和灵敏度。因此，目前选择在脑部插入微型光学探头的方式实现细胞级分辨率深层脑成像。
Nature Methods:清晰光学匹配全景探测通道技术用于深层脑部大体积成像
技术背景：
活体大脑中的高分辨率光学成像已成为研究动物行为背后神经回路（neural circuits）可塑性和功能的有力工具。基因编码的荧光指示剂和光学成像使对活体动物神经元结构和功能的选择性标记和观察成为可能，这改变了神经回路的研究。此类技术需要将光聚焦到脑组织内。由于折射率不均匀引起的随机光散射，单细胞分辨率的功能成像探测深度通常在1 毫米的量级 。即使对于厘米级的小鼠大脑，这种穿透深度也将大脑区域的光学成像限制在了浅表层，因此除非采用侵入式手段，否则大部分大脑仍然无法进行高分辨率光学成像。尽管功能磁共振成像和基于超声的方法等宏观和介观成像模式可以对深层大脑结构进行成像，但它们缺乏对理解神经回路至关重要的单细胞分辨率和灵敏度。因此，目前选择在脑部插入微型光学探头的方式实现细胞级分辨率深层脑成像。
目前已经开发了几种侵入式技术用于深层脑结构光学成像，例如上覆脑组织的切除、微型棱镜植入、微型梯度折射率 (GRIN) 透镜探头及其组合。为了观察非常深的大脑区域，通常使用微型透镜探头，因为它们会导致较少的组织损伤。这种微型透镜探头通常利用 GRIN 透镜其细长的圆柱体结构，在脑组织深处形成焦点，并将光信号传递到外部进行检测。用于大脑深层双光子成像的 GRIN 透镜的高分辨率视场 (FOV) 通常约为透镜直径的 1/5。更大的透镜直径可以以更多的组织损伤为代价获取更大的 FOV。然而，成像体积与插入体积的比率几乎没有变化。
当前不足：
微型光学探头的一个缺点是组织探测区域小，这限制了其实际应用时的吞吐量和成功率。例如，如果感兴趣的神经元不在探头的成像体积内，则需要额外的动物和手术。因此，迫切需要一种能够在更大的组织体积内实现高分辨率成像，从而提高成像通量、灵活性和成功率的技术。
文章创新点：
基于此，美国普渡大学的Bowen Wei(第一作者)和Meng Cui(通讯作者)等人提出了一种清晰光学匹配全景探测通道技术（Clear Optically Matched Panoramic Access Channel Technique, COMPACT）用于深层脑部大体积成像。在插入体积与 GRIN 透镜相同的情况下，COMPACT 可以使探测到的组织体积增加两到三个数量级。
原理解析：
（1）COMPACT 的核心思想是在匹配微型GRIN透镜的传统双光子显微镜基础上摒弃将透镜直接插入大脑方法，并在组织中插入了一个清晰的光学匹配通道。为了获取图像，将具有侧视功能的成像探头插入到通道中（类似于医疗应用中使用的侧视内窥镜）。通过通道将成像探头与组织隔离并提供与组织匹配的折射率，我们可以在通道内自由旋转和移动成像探头以对不同的大脑区域进行成像。旋转成像探头可获得通道周围的 360 度全景视图。探头沿通道的上下移动使我们能够在整个插入长度内成像。与传统成像探头只能探测尖端前部小块区域的体积相比，COMPACT 可以在插入的通道周围进行大体积成像。
视频1：双光子成像系统及全深度全景双光子成像操作。
视频2：与瞳孔大小相关的神经元活动的纵向多区域钙成像。
参考文献：Wei, B., Wang, C., Cheng, Z. et al. Clear optically matched panoramic access channel technique (COMPACT) for large-volume deep brain imaging. Nat Methods 18, 959–964 (2021).
DOI:https://doi.org/10.1038/s41592-021-01230-3
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