Both for research and medical purposes, researchers have spent decades pushing the limits of microscopy to produce ever deeper and sharper images of brain activity, not only in the cortex but also in regions underneath such as the hippocampus. In a new study, a team of MIT scientists and engineers demonstrates a new microscope system capable of peering exceptionally deep into brain tissues to detect the molecular activity of individual cells by using sound.
主要研究人员、神经科学家Mriganka Sur表示："这项技术的重大突破在于实现单细胞分辨率的深层成像。"该团队在《光：科学与应用》期刊发表的研究中，成功检测了与细胞代谢密切相关的NAD(P)H分子，在1.1毫米厚的人源性"脑类器官"和0.7毫米小鼠脑片中均实现了深层成像。
共同第一作者、机械工程博士后W. David Lee介绍，该系统的实际成像深度受限于样本尺寸，"当穿透样本时我们遇到了物理边界，但我确信可以实现更深的探测"。这种突破性深度是现有显微技术的五倍，其核心在于整合三光子激发与无标记光声探测技术。
该显微系统采用三倍于常规吸收波长的超短脉冲（飞秒级）近紫外光激发NAD(P)H分子，较长波长的光子像雾灯穿透组织，产生的弱荧光信号伴随局部热膨胀（约10微米），进而转化为可被超声波传感器捕捉的声波信号。这种"三光子光声成像"技术实现了高分辨率的深度成像。
技术突破体现在三大创新：
- 三光子激发：利用长波长光子减少组织散射
- 无标记检测：无需化学染料或基因工程标记
- 声学转换：通过热膨胀效应将光信号转化为声波
皮考尔学习与记忆研究所的研究科学家Tatsuya Osaki表示："我们成功整合了多项尖端技术，构建了'多光子入-声学出'的成像平台"。团队同步展示了"三阶谐波生成"成像技术，可清晰呈现细胞结构，同时检测NAD(P)H代谢信号和钙离子指示剂GCaMP。
在医学应用方面，该技术已通过Precision Healing公司验证NAD(P)H成像在伤口护理中的价值。由于NAD(P)H水平在阿尔茨海默症、Rett综合征等疾病中存在异常，这种无创检测可作为重要生物标志物。团队下一步将推进活体动物实验，并开发适用于手术场景的临床检测设备。
研究团队包括Elazer Edelman等科学家，经费来自美国国立卫生研究院等多家机构。该研究同时展示了多光子光学成像与光声成像的协同效应，为神经科学研究提供了新维度。
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