本研究由Weijian Zong和Edvard I. Moser（通讯作者）领导的团队完成，团队成员来自挪威科技大学（Norwegian University of Science and Technology, NTNU）的Kavli系统神经科学研究中心（Kavli Institute for Systems Neuroscience）及神经计算中心（Centre for Neural Computation）。研究于2022年3月31日发表在Cell期刊，题目为《Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice》，DOI: 10.1016/j.cell.2022.02.017。
本研究的核心科学领域是神经科学技术开发和行为神经科学，旨在解决自由活动小鼠大规模神经元活动记录的技术瓶颈。传统双光子（two-photon, 2P）显微镜因体积大、重量重，需固定动物头部，限制了其在自然行为研究中的应用。尽管单光子（one-photon, 1P）微型显微镜（miniscope）可实现自由活动记录，但其光学切片能力和信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）较低，难以在密集标记的脑区实现高分辨率成像。
研究团队的目标是开发一种微型双光子显微镜（Mini2P），兼具高分辨率、大视野（field of view, FOV）、多平面成像能力，同时不影响小鼠的自然行为。
研究对象：10只成年小鼠（8雄2雌，体重25-32 g）。
实验设计：
- 比较不同重量的假显微镜（3g vs. 5g）和不同柔韧性的光纤对小鼠自由觅食行为的影响。
- 使用开放场地（80×80 cm²）记录小鼠的运动距离、速度、轨迹弯曲度（tortuosity）等参数。
关键发现：
- 5g显微镜和较粗的光纤显著降低小鼠的运动能力和转向频率（p < 0.001）。
- 3g显微镜配0.7 mm柔性光纤（tapered fiber bundle, TFB）的小鼠行为与无设备对照组无差异。
微调透镜（microtunable lens, MTLens）：
- 重量仅0.06 g，响应时间<0.4 ms，z轴扫描范围240 μm（比前代提高60 μm）。
- 静电驱动机制避免热漂移（传统ETL透镜升温20°C会导致焦平面漂移）。
材料优化：
- 外壳采用碳纤维填充聚醚醚酮（PEEK-CF30），重量减轻50%（0.8 g）。
光纤设计：
- 锥形光纤束（TFB）通过全内反射聚焦荧光信号，将0.7 mm直径光纤的收集效率提升至1.5 mm光纤水平。
三种光学接入方式：
1. 视觉皮层（visual cortex, VC）：通过薄玻璃窗口成像，单视野（FOV）记录592个神经元。
2. 内侧内嗅皮层（medial entorhinal cortex, MEC）：通过棱镜成像，单FOV记录404个神经元。
3. 海马CA1区：通过GRIN透镜成像，单FOV记录464个神经元。
性能指标：
- 信噪比（SNR）：VC（5.2±1.4）、MEC（5.7±2.0）、CA1（8.5±2.2）。
- 运动伪影：刚性运动 μm，非刚性运动 μm，优于台式双光子显微镜。
策略一：扩大视野
- Mini2P-L版本FOV达500×500 μm²，VC单平面神经元数增至670±90个。
策略二：多平面成像
- 平面间隔40 μm时，重复神经元比例%（VC和MEC）。
- 4平面成像记录979±135个非重复神经元（VC）。
策略三：视野拼接（FOV stitching）
- 通过可拆卸适配器实现相邻FOV的200-400 μm位移。
- 在VC中，5×5 FOV拼接覆盖2.2×2.2 mm²，记录10,096个神经元。
实验设计：
- 空间导航：在开放场地中分析VC神经元的位置调制（place-modulated cells, PCs）和头方向调制（head direction cells, HDCs）。
- 网格细胞记录：MEC中310个网格细胞（grid cells）显示典型的六边形空间放电模式。
- 剧烈行为测试：
- 攀爬跳跃任务：小鼠携带Mini2P时攀爬速度（p=0.17）和跳跃准备时间无差异。
- 逃跑任务：声音诱发逃跑行为中，成像稳定性保持（最大残余漂移<0.4 μm）。
科学价值：
- 首次实现自由活动小鼠的大规模（>10,000神经元）、高分辨率（亚细胞水平）双光子成像。
- 为研究自然行为下的神经群体编码（population coding）提供了工具。
应用价值：
- Mini2P开源设计（成本约10-13万欧元/套）可推广至其他实验室。
- 适用于多种脑区（皮层、MEC、海马）和行为范式（导航、攀爬、逃跑）。
（全文共计约2000字，涵盖研究全流程及核心发现）