北京情報科学技術大学の呉潤龍教授チームはこのほど、ハルビン工業大学の肖淑敏教授チーム、北京大学の王愛民助教授チーム、北京航空航天大学の馮麗爽教授チームと共同で、第2世代複合超レンズ微細化二光子顕微鏡（Meta-m 2 PM 2.0）の開発に成功し、初めて超レンズ微細化二光子顕微鏡の自由行動マウスニューロンの高信号対雑音比イメージングを実現した。関連結果によると、超レンズはもはや実験室の概念ではなく、高品質、動物の自然行動条件下での脳機能イメージングを支え、生物医学画像の発展を助けることができる。研究論文『Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals』は『PhotoniX』（5年平均影響因子19.3）にオンラインで発表された。

論文のオンラインスクリーンショット

マイクロ化二光子顕微鏡はすでに脳科学研究において、自由行動状態における動物の脳ニューロン活動を解析する重要なツールとなっている。現在、高性能マイクロ化二光子顕微鏡は高時空解像度、大視野、多色イメージングなどの突破を実現している^[1-3]しかし、既存の高性能微細化二光子顕微鏡は依然として「魚と熊掌を兼ねることができない」という難題に直面している：高イメージング性能とプローブの更なる軽量化を両立することが困難である：その重量は一般的に2 gより大きい（例えば、FHIRM-TPMは2.15 g重い）^[1]・FHIRM-TPM 2.0重2.45g^[2]・FHIRM-TPM 3.0重2.6g^[3]、UCLA 2 P Miniscope重さ約4 g^[4]）があるため、重量に敏感な小型動物、例えば鳴鳥、コウモリ、マウス及び小動物の多脳領域観測には応用しにくい。

超レンズ技術はこのボトルネックを突破するために可能性を提供し、それは超軽量、高数値開口、収差補正を柔軟に設計できるなどの優位性によって、微細化顕微鏡光学系に新しい構想を提供した。しかし、これまで単一超レンズ設計に基づく微細化二光子顕微鏡は、視野が制限され、軸外収差が大きいという問題を解決することが難しく、その実用的な応用を大きく制限してきた。

プロジェクトチームは「二次イメージング」の複合超レンズアーキテクチャ（図1 a、b）を設計し、スキャンとフォーカス機能を解凍し、従来の微細化イメージングアーキテクチャの重量、視野と解像度の間のバランスの足かせを打破し、自由に活動する動物の多脳領域イメージングに新しい方法を提供した。

図1 Meta-m 2 PM 2.0の構造と設計：（a）2段イメージングシステムを実現する複合超構造レンズアーキテクチャの概略図。Dは入射レーザビーム径、MEMSはマイクロ電気機械システムであり、FOVimageは焦点平面における視野である。fscanは走査レンズの焦点距離であり、αはMEMS傾斜角、θはMEMS二軸走査角である。（b）Meta−m 2 PM 2.0プローブアセンブリの外形と光路の概略。HC−920は920 nm伝送用の空芯光ファイバであり、SFBはフレキシブルファイババンドル

共同チームは二光子に応用される偏光に敏感でない高深度幅比Siをさらに設計した₃N₄セルバンクは、2層超レンズ対物レンズと大角度超レンズ走査ミラーの協同設計（図2 a、b）を通じて、920 nm励起光と500-560 nm蛍光収集の2バンド最適化を実現し、対物レンズ重量を従来のマイクロ化対物レンズの10分の1に低下させ、プローブ重量はわずか1.06 g（図2 c、d）である。次世代複合超レンズ微細化二光子顕微鏡は多数の突破を実現した：視野を350×330µmに拡大²、初代より50倍以上上昇した、中心の横方向の分解能は1.17µmに達し、視野の端にいても80%以上の分解能を維持することができる、また、研究チームは生体マウスの微細軸索構造と深さ210µmにおけるニューロン長時間活動イメージングを明らかに捉えた（図2 e）。

図2超レンズ製造とプローブ性能試験：（a）単一単位胞の概略図。Hは高さ（1500 nm）、Lは長さ（90〜350 nm）、Pは周期（400 nm）である。（b）調製した超構造レンズの走査電子顕微鏡画像：（i）正面図、（ii）中心領域、（iii）エッジ領域。（c）超レンズ対物レンズ（MO、重さ0.05 g）とFHIRM-TPM 3.0-U対物レンズ（3.0-U、重さ0.5 g）写真。（d）Meta-m 2 PM 2.0プローブアセンブリ写真。（e）左図：頭部固定Thy 1-YFPHトランスジェニックマウスの深さ154μmにおけるM 1皮質の構造イメージング。右図：210μm深さで、GCAMP 6 fを発現するマウスM 1皮質ニューロンカルシウムイメージング

自由行動マウスの脳イメージング実験において、研究チームは百以上のニューロンのカルシウム活動を安定的に追跡し、信号対雑音比が7.6に達し、しかも長期にわたって同じニューロンを追跡することができる（図3 a-c）。1.06 gの超軽量プローブ設計のおかげで、従来の微細化二光子顕微鏡に比べて、Meta-m 2 PM 2.0の慣性効果は大幅に低下し、安定性が向上した：短期安定性試験で90%の視野変位は5µm未満、天を跨ぐ長期観測時の変位は10µmを超えない（図3 d、e）。

図3 Meta-m 2 PM 2.0自由行動マウスを用いたカルシウムイメージング：（a）左：Meta-m 2 PM 2.0マウスを装着した写真、右：12分間のマウス運動軌跡。（b）左：自由行動マウスM 1皮層190μmの深さ画像、右：122ニューロンの分割図。（c）12分間の記録中のニューロンカルシウム過渡の信号対雑音比（SNR）。（d）異なる日数でM 1皮質の同じ視野をイメージングし、異なる実験で繰り返し認識された部分の同じニューロンを円で示した。（e）イメージングの短期的及び長期的安定性。左：3匹のマウスが開放場自由探索条件下で行った8回の実験（毎回＞600 s）におけるxとy方向視野変位の短期安定性分析、右：（d）における実験に対応する長期視野変位

この研究成果は複合超レンズ技術とマイクロ化二光子顕微イメージング技術を深く融合させることにより、超軽量、大視野、深層皮層と高解像度の突破を同時に実現することに成功した。超レンズ技術をさらに実用化し、初めて超レンズ微細化二光子顕微鏡の自由行動動物の脳機能イメージングを実現した。

将来、超レンズ技術の研究は自由行動多色イメージング、多脳区の同時観測、異種（コウモリ、鳥類、幼年げっ歯類）研究などの神経ネットワーク解析にさらに拡大し、脳認知原理解析、脳疾患の早期診断、神経薬物評価などの分野で重要な役割を果たすことが期待されている。

この論文の第1著者は北京航空航天大学と北京情報科学技術大学が共同で育成したカク澤宇とハルビン工業大学（深セン）の張尭である。共同通信の著者は北京情報科学技術大学の呉潤龍教授、ハルビン工業大学の肖淑敏教授、北京大学の王愛民助教授である。呉潤龍教授は研究プロジェクトの全体構想を担当し、コア光学系の設計と構築を主導した。肖淑敏教授は超レンズの設計と最適化を指導した。王愛民教授はバイオイメージング実験に重要な技術支援を提供した。本プロジェクトは2030「脳科学と類脳研究」の重要プロジェクト、生物医学イメージング北京実験室、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、深セン市基礎研究プロジェクトなどの経費支援を得た。

【原文リンク】

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals. 自由に行動する動物における大型FOVイメージングのための複合金属ベースのミニチュア二光子鏡。PhotoniX 6、57（2025年）。https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

【参考文献】

1. Zong W、Wu R、Li M、Hu Y、Li Y、Li J、等。自由に振る舞うマウスの脳画像のための速い高解像度のミニチュア2光子显微鏡。ナット・メソッド 2017;14(7):713–9.

2. Zong W、Wu R、Chen S、Wu J、Wang H、Zhao Z、等。 拡大された視野、多面および長期脳イメージングのためのミニチュア2光子显微鏡。ナット・メソッド 2021;18(1):46–9.

3. Wu R、Zhao C、Qiu S、Zhu Y、Zhang L、Fu Q、等。多色深脳イメージングを可能にする多用途のミニチュア2光子の3 3 3 3。ナット・メソッド 2025;22:1935-1943.

4. Madruga BA、Dorian CC、Yang L、Sehgal M、Silva AJ、Shtrahman M、等。自由に行動する動物のためのオープンソース、高性能のミニチュア2光子显微鏡システム。ナット・コミュン 2025;16(1):7125.