光遗传学的应用依赖于对光的精确时空控制，对大脑表层的目标神经效果较好，但在针对大脑深层区域时，由于组织体在光传播过程中带来的光散射导致光束难以聚焦，因此想要采用非侵入式的干涉是有一定难度的。但是，如果退一步采用侵入式的光遗传学干涉方法，往往会导致组织损伤，而且这种风险也会随着组织的深度增加而增大。因此，综合上述考虑，光纤是生物学实验中的微创手段中常用光纤。由于光纤的小尺寸，使得它实现微创光传输成为可能，因此也有可能实现对大脑深部区域的刺激并记录其活动。
光纤是一种由玻璃或塑料制成的显微，多模光纤的粗细和人的头发丝相当，生物学实验中的微创手段中常用光纤。此前已有研究团队提出的全息内窥镜方法就利用了多模光纤成像，并成功在脑深部实现了细胞甚至亚细胞量级的分辨率⁽ ¹⋅²⋅³ ⁾ 。但这一技术还有一有待攻克的难点，即在动物自由移动时，光纤会产生弯曲变形，如何在这种情况下仍然保持高性能成像成为了相关研究团队的关注重点。
近日，国际医疗器械设计与制造技术展览会Medtec China 2024了解到德国莱布尼茨光子技术研究所的Tomáš Čižmár及其同事设计并制造了一种混合的多模多芯光纤，既能对固定动物进行高分辨率成像，又能对运动中的动物的神经元进行弯曲弹性光寻址，最终实现在230um的视场中2um的分辨率。这一工作为在自由移动的动物中实现空间选择性光激发和活动监测提供了新的解决方案。
该文章以“Hybrid multimode – multicore fibre based holographic endoscope for deep-tissue neurophotonics”为题发表Light: Advanced Manufacturing。
在研究中，作者设计并制造了一种混合的多模-多芯光纤，其中光纤纤芯有61个，间距为典型脑组织神经元密度的四倍。由于光纤结构中的级联折射率，这种光纤可以传输两种模式的光，类似于多模光纤。通过控制光纤的入射光数值孔径（NA），可以将传输光从一种模式切换到另一种模式。
图1 多模-多芯光纤示意图
图源：Light: Advanced Manufacturing (2022)3:29, Fig.3
在内窥镜的应用场景中，这种光纤可以在活体实验中的初始阶段应用，用于导航内窥镜的探测远端使其到达目标的大脑组织，并在导航过程中通过全息成像的方式绘制组织分布以及神经元之间的连接。在对麻醉后固定的动物植入内窥镜后，再将探测远端植入目标的神经通路并绘制神经连接网络。在之后的活体实验过程中，多模-多芯光纤可以确保在动物处于觉醒和行为状态下，光在视野内的每个神经元之间的传输。
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图2 多模-多芯光纤原理示意图
a 多模-多芯光纤横截面；b USAF 1951分辨率测试靶全息成像结果；c 高分辨荧光小球图像；d-g 光纤不同程度变形下多模-多芯光纤成像结果
图源：Light: Advanced Manufacturing (2022)3:29, Fig.1、Fig.2、Fig.4
二、低分辨率刺激并读取预先选定的目标区域的运动模型，并进行后续的慢性研究。
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高端总之，该研究提出了一种新型多模-多芯光纤，可以与全息成像技术相结合，在对麻醉静止状态动物植入之后，当动物处于活动状态下时也可以实现高分辨率的成像，使得神经研究可以深入到动物的大脑最深处。与强大的神经光子学工具相结合，这一新型全息成像技术可以用于研究神经元活动，进一步解释其反应本质，对神经科学研究意义重大。
Du et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:29
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