双光子激光扫描显微镜成像通常用于研究哺乳动物大脑中细胞和亚细胞分辨率下的神经元活性。这样的研究还仅限于大脑的单个功能区域。在最近的报告中，中国，德国和英国的神经科学研究所，神经科学研究所，系统神经科学与光学系统先进制造技术中心脑研究仪器创新中心的Mengke Yang及其同事开发了一种称为多区域两光子实测技术的新技术。时间体外探索器(MATRIEX)。该方法允许用户以直径约200 µm的视场(FOV)瞄准功能性大脑的多个区域，以执行双光子Ca 2+ 在所有区域同时以单细胞分辨率成像。

杨等。进行了小鼠麻醉和清醒状态下初级视觉皮层，初级运动皮层和海马CA1区单神经元活动的实时功能成像。MATRIEX技术可以使用单个激光扫描设备来唯一配置多个微观FOV。结果，该技术可以实现为现有的传统单光束扫描，双光子显微镜中的附加光学模块，而无需进行其他修改。MATRIEX可用于探索体内多区域神经元活动，从而具有单细胞分辨率的全脑神经回路功能。

双光子激光显微镜起源于1990年代，在对研究体内神经结构和功能感兴趣的神经科学家中很流行。活体大脑的两光子和三光子成像的主要优势包括在密集标记的大脑组织中实现的光学分辨率，该组织强烈散射光，在此期间可以扫描并以最小的串扰获取光学切片的图像像素。然而，通过防止在特定距离内同时观察两个物体，优点也给该方法带来了明显的缺点。研究人员以前实施了许多策略扩展限制，但是这些方法很难在神经科学研究实验室中实施。然而，在神经科学中，以体内单细胞分辨率研究全脑神经元功能的需求越来越高。

通过一种简单的方法，科学家可以将两个显微镜放在同一个动物的大脑上方，以同时对皮层和小脑进行成像。但是这样的努力会导致复杂性和成本的大幅增加。因此，目前对性能和可行性的高期望值提出了一个极富挑战性的工程问题，即单个成像系统如何可以同时从体内多个大脑区域同时获取实时显微图像。为了解决这个问题，Yang等。介绍了一种结合了两级放大和多轴光学耦合的新方法。

他们实现了使用低倍率干物镜(DO)的方法，在干物镜下有多个浸入水中的微型物镜(MO)。科学家将每个MO置于大脑组织中所需的目标位置和深度。该团队使用了新的复合物组件，类似于原始的水浸显微镜物镜，而没有对图像扫描和采集子系统进行其他修改。

他们使用两个原理实现了MATRIEX方法：两级放大和多轴耦合。例如，仅使用干物镜(DO)进行两级放大，他们观察到20 µm的珠子是微小的模糊点，同时观察了整个化合物组件的清晰圆形。在多轴耦合过程中，科学家将单个DO与同一图像平面上的多个MO耦合。通过在单个矩形框架中进行简单的光栅扫描，研究团队获得了一个包含多个圆形FOV(视场)的矩形图像-其中每个FOV对应一个MO，且FOV像素间的串扰最小。

科学家认为数值孔径(NA)的放大倍数可以使化合物组件具有更好的分辨率。相关的镜头也很灵活，可以定制设计用于低成本批量生产，以协助实验设计。MATRIEX的主要功能是能够以较大的深度间隔同时对多个对象进行成像。为了突出这一点，Yang等。设计了具有不同参数的不同MO，并将它们放置在特定深度处，相应的对象平面在同一轴上共轭。在实践中，研究团队通过分别沿z轴的每个方向调整MO来补偿期望和实际物体深度之间的微小失配。

通常，在DO(干物镜)下，目标区域的最大横向尺寸受扫描场的最大尺寸限制。例如，使用放大倍数为2倍且目标区域直径为12毫米的DO，科学家可以为整个成年小鼠的大脑成像。在这项研究中，Yang等。同时拍摄了小鼠的额叶皮层和小脑。实际上，一个4倍的空气物镜适合于获得更好的分辨率以观察精细的树枝状结构。

作为原理的证明，研究小组使用MATRIEX对小鼠的初级视觉皮层(V1区)，初级运动皮层(M1区)和海马CA1区的荧光标记神经元进行了双光子Ca 2+同步成像。在这三个MO的配置中，科学家将两个适合V1和M1区的MO放置在皮质的正上方，并在手术切除后将MO插入海马CA1区皮质组织。然后，团队为与V1，M1和CA1对应的物平面设计了透镜，以便在同一图像平面上进行共轭。使用配备12 kHz共振扫描器的两光子显微镜，科学家们放大了三个不同的区域以解析单个神经元后，扫描了整个图像以观察三个FOV及其单个细胞。然后，他们注意到激光功率将在多个FOV之间分配。

而杨等。可以使用单个大脑区域内的常规单FOV成像获得这些结果，因此MATRIEX技术为他们提供的数据超出了单FOV成像技术所提供的数据。综上所述，这些结果使得小鼠的自发活动模式从麻醉状态到清醒状态具有高度不均匀的分布和转化，从而以单细胞分辨率跨越了全脑范围的电路水平。

以这种方式，Menge Yang及其同事基于两级放大和多轴光学耦合的原理开发了MATRIEX技术。他们同时进行了两个光子的Ca 2+在单细胞分辨率下麻醉和清醒的小鼠中，在不同区域(V1，M1和CA1)不同深度的神经元种群活动中进行成像。重要的是，可以将任何常规的两光子显微镜转换为MATRIEX显微镜，同时保留所有原始功能。转换的关键是基于复合物镜组件的设计。研究人员可以使用精心设计的不同MO，以适应MATRIEX技术与常规显微镜之间100%兼容的不同大脑区域。研究团队期望MATRIEX技术能够以单细胞分辨率显着提高三维，全脑神经回路动力学。