大脑功能是一系列复杂动态行为相互作用的结果，如神经活动、脑血流变化、免疫响应等。这些横跨多个脑区的动态行为能通过协同运作来实现各种大脑功能。因此，如何实现这些动态行为的大规模、高时空分辨、多参量、定量化记录，是深入探索大脑功能的根本所在，也是非侵入式脑机接口获取信息的关键。双光子显微镜（TPM）具备强组织穿透能力和固有的光学层析能力，近年来已成为大脑功能成像研究的首选工具。然而，传统的TPM存在视野受限（通常<0.5 mm²）、成像区域大小与时间分辨率存在固有权衡、仅依赖荧光强度导致信息维度单一等瓶颈，极大制约了其在复杂脑功能研究中的应用。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）生物医学与健康工程研究所、医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑炜/叶世蔚团队成功研制出大视野多区域高速双光子荧光寿命显微镜（LD-2P-FLIM），可同步监测多个大脑皮层区域的神经元活动、同时空高分辨地记录生理/病理条件下的神经血管耦合现象、长时间追踪小胶质细胞对神经元损伤的免疫过程、以及实现大规模神经元集群的定量钙成像（活体监测绝对钙离子浓度），为非侵入式脑机接口提供了新的信息采集范式。研究成果以"Large-FOV, dual-region, two-photon fluorescence lifetime imaging microscopy (LD-2P-FLIM) for multiparameter and quantitative brain function imaging"为题发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

该研究工作是国自然重大科研仪器研制项目的主要成果，同时也得到了医学成像科学与技术系统全国重点实验室、国家重点研发计划、深圳市医学研究专项等项目的资助。论文共同第一作者为中国科学院深圳先进技术研究院叶世蔚副研究员、高玉峰副研究员和邓梦颖副研究员。郑炜研究员和叶世蔚副研究员担任通讯作者。研究工作同时得到了郑海荣院士的指导，合作者还包括中国科学院深圳先进技术研究院刘成波研究员团队、储军研究员团队、南方医科大学珠江医院郭燕舞教授团队。

1. 大视野多区域高速双光子荧光寿命成像技术

针对前述的传统TPM瓶颈，研究团队发展了相应技术（如下图所示）：（1）研发了一种有效的自适应光学校准方法，可突破物镜的标定视野限制，在仅使用商用光学器件的条件下实现了视野直径可达3mm且维持全视野分辨率优于0.7μm的大视野高分辨双光子成像。（2）为了缓解成像区域大小与时间分辨率二者间的制衡矛盾，研发了基于时分复用原理的多区域同步成像系统，可在全视野范围内任意选择两个子区域进行同步监测，子区域的三维定位和视野大小均可独立调节。（3）研发了一个现场可编程门阵列（FPGA）模块，可在强度成像的基础上实现荧光寿命的同步、快速探测，其荧光寿命成像的数据通量可达15.73 MP/s（512像素、30Hz、双区域）。相比于传统的荧光寿命成像方法（时间相关单光子计数，TCSPC）,该FPGA模块实现了超200倍数据通量的提升，使得活体动物的实时FLIM成像成为可能。

2. 基于LD-2P-FLIM的多参量和定量化大脑功能成像研究

基于研发的LD-2P-FLIM，研究团队在多参量和定量化大脑功能成像方面开展了一系列探索研究，展示了该技术在脑科学研究与应用中的潜力。

大视野高分辨的神经结构与功能成像。LD-2P-FLIM不仅能在3mm的完整视野内清晰识别树突棘结构，而且可以同步探测超过3000个神经元的钙离子活动，并推测相应的神经电位信息。

多脑区神经活动同步监测。研究团队实现了疼痛刺激下横向（运动皮层M1和感觉皮层S1）和轴向（感觉皮层的L1和L2/3）双区域的神经活动同步监测，助力于梳理多个脑区的关联特性，为完整解析大脑功能提供重要手段。