최근 베이징정보과학기술대학 오윤룡 교수팀은 하얼빈공업대학 샤오수민 교수팀, 베이징대학 왕아이민 부교수팀과 베이징항공항천대학 펑리솽 교수팀과 연합하여 2세대 복합 하이퍼렌즈 마이크로화 쌍광자 현미경 (Meta-m2PM 2.0) 을 성공적으로 연구 제작하여 처음으로 하이퍼렌즈 마이크로화 쌍광자 현미경 자유행위 쥐 뉴런의 높은 노이즈 영상을 실현하였다.관련 결과에 따르면 하이퍼렌즈는 더 이상 실험실 개념이 아니라 고품질, 동물의 자연 행동 조건에서의 뇌 기능 영상을 지탱하고 생물의학 영상 발전을 도울 수 있다.연구 논문'Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals'는'PhotoniX'(5년 평균 영향인자 19.3)에 온라인으로 발표됐다.

논문 온라인 캡처

소형화 쌍광자현미경은 이미 뇌과학연구에서 자유행위상태에서 동물의 대뇌뉴런활동을 해석하는 중요한 도구로 되였다.현재, 고성능 마이크로화 이중 광자 현미경은 이미 높은 시공 해상도, 큰 시야, 다색 영상 등의 돌파를 실현했다^[1-3].그러나 기존의 고성능 마이크로 듀얼 광자 현미경은 여전히"물고기와 곰 발바닥을 모두 가질 수 없는"난제에 직면해 있습니다. 고화질 성능과 프로브의 추가 경량화를 모두 고려하기 어렵습니다. 무게는 일반적으로 2g 이상입니다(예: FHIRM-TPM 무게는 2.15g 이상).^[1]FHIRM-TPM 2.0은重2.45g^[2]FHIRM-TPM 3.0은重2.6g^[3]、UCLA 2P Miniscope 무게 약 4g^[4]), 따라서 울새, 박쥐, 새끼 쥐 및 작은 동물과 같은 무게가 민감한 작은 동물의 다뇌 영역 관측에 적용하기 어렵습니다.

하이퍼렌즈 기술은 이 병목 현상을 돌파하기 위해 가능성을 제공하였는데, 초경박, 고수치 공경, 유연한 설계 상차 교정 등 우세로 마이크로화 현미경 광학 시스템에 새로운 사고를 제공하였다.그러나 이전에 단일 하이퍼렌즈에 기초하여 설계된 마이크로화 쌍광자 현미경은 시야가 제한되고 축외상차가 큰 문제를 해결하기 어려워 실제 응용을 크게 제한했다.

프로젝트 팀은"2차 이미징"의 복합 하이퍼렌즈 아키텍처 (그림 1a, b) 를 설계하여 스캔과 초점 기능을 결합하여 무게, 시야 및 해상도 사이의 전통적인 마이크로 이미징 아키텍처의 균형 족쇄를 깨고 자유 활동 동물의 다뇌 영역 이미징에 새로운 방법을 제공합니다.

그림 1 Meta-m2PM 2.0의 구조와 디자인: (a) 2단계 이미지 시스템을 실현하는 복합 하이퍼구성 렌즈 구조 설명도.D는 입사 레이저 빔의 지름입니다.MEMS는 마이크로컴퓨터 시스템입니다.FOVimage는 초점 평면의 뷰포트입니다.fscan은 렌즈의 초점 거리를 스캔합니다.α는 MEMS 경사각입니다.○는 MEMS 2축 스윕 각도입니다.(b) Meta-m2PM 2.0 프로브 구성 요소의 외형과 광로 설명.HC-920은 920nm 전송을 위한 빈 코어 옵티컬입니다.SFB는 유연한 옵티컬 번들

공동 팀은 이중 광자에 적용되는 편광에 민감하지 않은 고심도 너비 Si를 더욱 설계했습니다.₃N₄원포 라이브러리, 이중 하이퍼렌즈 물경과 큰 각도 하이퍼렌즈 스캐너의 협동 설계 (그림 2a, b) 를 통해 920nm 자극광과 500-560nm 형광 수집의 이중 주파수 대역 최적화를 실현하여 물경의 중량을 전통적인 마이크로렌즈의 10분의 1로 낮추고 프로브 중량은 1.06g (그림 2c, d) 에 불과하다.차세대 복합 하이퍼렌즈 마이크로화 이중 광자 현미경은 여러 가지 돌파를 실현했다: 시야가 350 × 330 µm로 확대되었다², 1세대에 비해 50배 이상 향상되었습니다.중심 가로 해상도는 1.17µm에 달해 시야 가장자리에서도 80% 이상의 해상도를 유지할 수 있습니다.또한 연구팀은 생체 생쥐의 정교한 축돌기 구조와 깊이 210µm 지점의 뉴런의 장시간 활동 영상을 선명하게 포착했다 (그림 2e).

그림 2 하이퍼렌즈 제조 및 프로브 성능 테스트: (a) 단일 메타포의 설명도.H는 높이(1500nm)입니다.L은 길이(90-350nm)입니다.P는 주기(400nm)입니다.(b) 제조된 초구조렌즈의 스캐닝 전자현미경 이미지: (i) 정면;(ii) 중심 영역,(iii) 가장자리 영역.(c) 하이퍼렌즈 렌즈(MO, 무게 0.05g)와 FHIRM-TPM 3.0-U 렌즈(3.0-U, 무게 0.5g) 사진.(d) Meta-m2PM 2.0 프로브 구성 요소 사진.(e) 왼쪽 그림: 머리에 고정 된 Thy1-YFPH 유전자 변형 생쥐가 154 μm 깊이에서 M1 피질의 구조 이미징.오른쪽 그림: 210 μm 깊이에서 GCaMP6f를 표현하는 생쥐 M1 피질 뉴런 칼슘 영상

자유행동쥐의 뇌영상실험에서 연구팀은 100여개 뉴런의 칼슘활동을 안정적으로 추적하여 신소음비가 7.6에 달하고 장기적으로 같은 뉴런을 추적할수 있게 되였다 (그림3 a-c).1.06g의 초경량 프로브 설계 덕분에 과거의 마이크로화 이중 광자 현미경에 비해 Meta-m2PM 2.0의 관성 효과가 크게 낮아지고 안정성이 향상되었다: 단기 안정성 테스트에서 90% 의 시야 변위가 5µm 미만이고 하늘을 가로지르는 장기 관측 시야 변위가 10µm 미만이다 (그림 3d, e).

그림 3 Meta-m2PM 2.0 자유활동 생쥐의 칼슘 이미지를 적용: (a) 왼쪽: Meta-m2PM 2.0 생쥐를 착용한 사진;오른쪽: 12분 생쥐 운동 궤적.(b) 왼쪽: 자유 활동 생쥐 M1 피질 190 μm 깊이 이미지;오른쪽: 122개 뉴런의 분할도.(c) 12분 동안 뉴런 칼슘의 순간적인 신호 잡음 비율(SNR)을 기록합니다.(d) 일 수에 따라 M1 피질의 동일한 시야를 영상화하고, 동그라미는 서로 다른 실험에서 반복적으로 식별된 부분의 동일한 뉴런을 표시한다.(e) 영상의 단기 및 장기 안정성.왼쪽: 세 마리의 생쥐가 개방장 자유 탐색 조건에서 실시한 8차례의 실험(매회>600s)에서 x와 y 방향의 시야 변위의 단기 안정성 분석;오른쪽: (d) 의 실험에 대응하는 장기 시야 변위

이 연구성과는 복합초렌즈기술과 미형화쌍광자현미영상기술을 깊이있게 융합함으로써 초경량중량, 대시장, 심층피질과 고해상도의 돌파를 동시에 실현하는데 성공하였다.초렌즈 기술을 한층 더 실용화하여 처음으로 초렌즈 미형화 쌍광자 현미경의 자유 행위 동물의 대뇌 기능 영상을 실현하였다.

앞으로 하이퍼렌즈 기술 연구는 자유행위 다색 영상, 다뇌구 동시 관측, 다종 (박쥐, 조류, 유년 설치류) 연구 등 신경망 해석으로 더욱 확대될 것이며, 뇌 인지 원리 해석, 뇌 질환 조기 진단, 신경 약물 평가 등 분야에서 중요한 역할을 발휘할 것으로 기대된다.

이 논문의 제1저자는 베이징항공항천대학과 베이징정보과학기술대학이 공동으로 양성한 하오쩌위와 하얼빈공업대학 (선전) 장야오;공동통신저자는 북경정보과학기술대학 오윤룡교수, 할빈공업대학 소숙민교수, 북경대학 왕애민 부교수이다.오윤룡 교수는 연구 프로젝트의 전체적인 구상을 책임지고 핵심 광학 시스템의 설계와 구축을 주도한다;소숙민 교수는 하이퍼렌즈의 디자인과 최적화를 지도한다.왕애민 교수는 생물 영상 실험에 핵심 기술 지원을 제공했다.본 프로젝트는 2030"뇌과학과 류뇌연구"중대프로젝트, 생물의학영상북경실험실, 국가자연과학기금, 북경시자연과학기금, 심수시기초연구프로젝트 등 경비지원을 받았다.

[원문 링크]

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. 자유롭게 행동하는 동물에서 대형 FOV 이미지를 위한 합성 금속 기반 소형 두 광자 현미경.PhotoniX 6, 57 (2025).https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

[참고문헌]

1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, 등. 자유롭게 행동하는 마우스에서 뇌 이미지를 위한 빠른 고해상도 소형 2 광자 현미경.Nat 방법. 2017;14(7):713–9.

2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, 등. 확대된 시야를 위한 소형 2개의 광자 현미경, 다층 및 장기 뇌 이미징.Nat 방법. 2021;18(1):46–9.

3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q, 등. 다색 깊은 뇌 이미징을 가능하게 하는 다양한 소형 2 광자 현미경.Nat 방법. 2025;22:1935-1943.

4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, 등. 자유롭게 행동하는 동물을 위한 오픈 소스, 고성능 소형 2 광자 현미경 시스템.Nat Commun입니다. 2025;16(1):7125.