神经环路动态功能的解析是当前脑科学领域的重点和难点，微型化显微成像技术为其研究提供了重要手段。相较于双光子荧光成像和光纤光度法，微型化显微系统能够在模式动物自由活动状态下进行长时程、单细胞分辨率、实时成像。近十几年来，科学家们围绕可穿戴、高稳定性要求，先后研制了单光子、多光子成像系统，并从荧光探针、光电子元件、数据传输等方面进行不断优化，提升系统性能，扩展应用范围。将从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论，综述各方向研究进展，旨在为该领域技术提升和神经科学应用提供参考。

Visualization of axons and dendritic spines is crucial in neuroscience research. However, traditional microscopy is limited by diffraction-limited resolution and shallow imaging depth, making it difficult to study neuronal dynamics. Two-photon multifocal structured illumination microscopy (2P-MSIM) provides super-resolution imaging along with a reasonably good penetration, but it is vulnerable to optical aberrations in deep tissues. Herein we present a novel non-inertial scanning 2P-MSIM system incorporated with adaptive optics (AO) which allows for super-resolution imaging with effective aberration correction. Our strategy is designed to correct both laser and fluorescence paths simultaneously using a spatial light modulator and a deformable mirror respectively, providing better results than the individual path corrections. The successful implementation of adaptive optical two-photon multifocal structured illumination microscopy (AO 2P-MSIM) has allowed for the super-resolution imaging of neuronal structures in a mouse brain slice at great depths and dynamic morphological characteristics of zebrafish motoneurons in vivo.

作为光遗传学的重要工具，纳米光遗传探针用于实现对生物体神经元的光刺激，能够辅助神经科学家更具特异性地探索大脑的工作机制，有望用于神经疾病的发病机理分析和治疗。研究人员针对光遗传学刺激的刺激强度、刺激范围、刺激模式、时空分辨率等要求，开发了具有不同光学功能的探针，也针对丰富探针功能如原位电生理记录、化学或生物分子递送等要求，开发了多功能的神经探针。为克服传统光电子器件刚性不可弯折、易对生物体造成损伤等弊端，柔性光学神经探针应运而生。这一类探针在植入时对生物体的损伤小，在植入后能够维持稳定的出光强度，其使用寿命得到保证。本文围绕不同类型、不同功能的光遗传探针以及光遗传探针中的柔性技术进行综述和展望。

为了实现在活体小鼠脑中多部位的光纤记录和区域可选择的光刺激，开发了一套集成度高、参数可独立调控的多通道光遗传系统，以满足光遗传学领域中大规模神经动力学研究需求。在该系统中，设计了一款1转7扇出多模光纤束，将光纤束与扫描振镜相结合，并利用时分复用技术调制不同波长的光源，以实现高质量的多通道记录和通道可选择的光刺激。评估了多光纤通道的参数稳定性，在小鼠前额叶、杏仁核、腹侧被盖等脑区同步记录了4个通道的钙信号。通过振镜靶向特定的光纤通道，可对自由移动的小鼠进行光遗传干预。该系统可用于活体多脑区光遗传干预与记录，为神经环路研究和行为学实验提供了有力工具。

近年来，面向生物组织大深度光学成像的方法不断发展，其中包括光学相干层析、多光子成像和自适应光学等。介绍了浙江大学光电科学与工程学院近年来在生物组织大深度定量光学成像方面的一系列重要进展，包括光学相干层析结构与功能成像、基于三光子荧光显微的大深度脑血管成像和新型的畸变误差波前校正方法等，并进一步概述了如何对上述方法获取的光学图像实施定量表征以获取生物组织的生理与病理信息。

光遗传学采用光学手段对大脑神经活动进行调控，为神经科学研究提供重要技术手段，促进了当代神经科学里程碑式的发展。由于光在生物组织中的非侵入穿透深度极其有限，传统光遗传学一般采用损伤性植入光纤的方式，导致光刺激的空间精度无法保证。近年来，随着光学技术的进步，精准光遗传学逐渐兴起。精准光遗传学一般采用具备深穿透能力、高时空分辨率的光学系统，具有单细胞精度的神经调控能力和亚细胞精度的神经元集群活动实时检测能力。从技术原理、光路构建和系统优化等几个方面对精准光遗传学研究进行分析和讨论，最后讨论精准光遗传学研究中的技术局限和可能的解决方案，并展望精准光遗传学技术的未来发展方向和应用场景。

Adaptive optics has been widely used in biological science to recover high-resolution optical image deep into the tissue, where optical distortion detection with high speed and accuracy is strongly required. Here, we introduce convolutional neural networks, one of the most popular machine learning models, into Shack–Hartmann wavefront sensor (SHWS) to simplify optical distortion detection processes. Without image segmentation or centroid positioning algorithm, the trained network could estimate up to 36th Zernike mode coe±cients directly from a full SHWS image within 1.227 ms on a personal computer, and achieves prediction accuracy up to 97.4%. The simulation results show that the average root mean squared error in phase residuals of our method is 75.64% lower than that with the modal-based SHWS method. With the high detection accuracy and simplified detection processes, this work has the potential to be applied in wavefront sensor-based adaptive optics for in vivo deep tissue imaging.

提出一种光透过散射介质的散斑恢复算法,可实现大视场任意位置的聚焦。通过仿真模拟光路测量散射介质的传输矩阵并进行二值化处理,再利用数字微镜器件对入射光进行二值振幅调制,实现透过散射介质的单点或多点聚焦。由于不同聚焦位置的独立性,所提算法能够实现大视场任意位置聚焦。仿真结果表明:聚焦位置的光强增强因子随着采样数目的增加而增加;与传统三步相移法相比,在采样数目减少1/3的情况下,所提算法能够获得55%的增强比,比三步相移法高12%。所提算法对透过散射介质实现大视场范围扫描聚焦有重要意义,在生物医学成像领域具有广阔应用前景。