脑成像技术直接或间接观测脑的结构、功能以及脑组织与脑血管的相互作用。光学成像往往具有分辨率的明显优势,成像系统也相对比较简单,近年获得了长足的发展。基于光学成像的脑成像被越来越多地应用于神经科学的研究中。在传统的在体成像过程中,由于成像系统一般结构复杂、体积庞大、对图像稳定性要求很高,实验动物处于麻醉状态。随着成像技术和电子技术的发展,成像系统的性能逐步提高,从体积庞大、实验动物被束缚其中的复杂成像结构,发展为微型轻便、可植入体内的成像模块,甚至是体积微小的成像“芯片”,实现了质的突破。然而,用于清醒动物的多模态脑成像仍处于起步阶段,测量重要生理参数的效率和性能仍存在诸多问题。本文提出一种用于清醒动物的脑光学成像技术,测量神经活动引起的脑血流指标改变和氧代谢水平改变,观测某些病理模型中脑功能的变化,使成像结果免于麻醉剂的影响、使实验动物免于成像系统的束缚,为研究脑的结构和功能、研究脑组织与脑血管的相互作用、以及研究脑部疾病的病理,提供新的方法和途径。一般认为,最早在2001年的研究中,就提出了清醒动物脑光学成像的概念,并实现了成像装置的微型化。激光散斑成像技术和内源信号光学成像技术,相比于其他成像技术,具有实时成像、二维全场成像的优势,已在清醒动物脑光学成像中获得了应用。激光散斑成像技术发展自单曝光激光散斑摄像术,通过采集、分析激光被散射后形成的相干图样,得到可视化的血流速度图像,目前被广泛应用于血流速度的测量中。内源信号光学成像技术观测局部脑组织光学特性的改变,从而得出局部脑组织氧代谢水平的改变,用以反映神经活动。发展快速实时、高分辨率、高信噪比的多模态脑光学成像,有助于研究脑组织与脑血管的相互作用、监测脑组织的神经活动,在神经科学研究中起着至关重要的作用。在过去的十余年时间里,清醒动物脑光学成像技术经历了从无到有、由弱至强的发展过程。由于针对清醒动物的实验范式与经典的实验范式有着显著的差异,开发需要准确把握微型化与高精度的关系。本文基于当前研究中存在的问题,对清醒动物脑光学成像技术的系统设计和算法做了一系列创新和发展,并将该技术应用于多项神经科学研究中。本文主要研究内容和研究结果如下所述:（1）本文实现了一种清醒动物多模态脑光学成像技术。本文实现了一种基于激光散斑成像和内源信号光学成像的清醒动物多模态脑光学成像技术。实现多模态光学成像的系统设计,是多模态成像的基础。本文开发的成像装置,高度为3.1厘米,重量约为20克,成像帧速率最高可维持于40 fps,成像空间分辨率则可达到亚毫米级。两束多模光纤用于引导光束均匀照射在清醒动物的颅骨上,为激光散斑成像和内源信号光学成像提供光源,从而可以测量脑血流速度和氧代谢水平。为验证其可行性,本文将该系统设计应用于观测在转棒仪中运动的大鼠。实验动物在转棒仪上开始运动后,脑血流速度提高了约40%,缺氧血红蛋白浓度（[HbR]）提高了约16%。转棒仪停止转动后,两者出现了完全不同的表现:脑血流速度立即出现下降的趋势,并在1分钟内即迅速恢复到运动前的92%;[HbR]虽然也呈现下降的趋势,但是趋势出现得较为滞后,而且在较长时间可以维持较高水平。转棒仪实验说明脑组织与脑血管的相互作用同时存在线性和非线性的关系。（2）本文提出了一种大脑氧代谢率（CMRO₂）快速成像算法。本文提出了一种CMRO₂快速成像算法,解决光学成像的信噪比较低和实时性能较差的问题。CMRO₂是一种广泛使用的表征氧代谢水平的重要核心指标。传统的多光谱反射比成像（MSRI）算法对图像稳定性的要求很高,并且往往需要进行多次重复成像,从而提高信噪比。因此,MSRI算法应用于清醒动物多模态脑光学成像时,会受到限制。快速成像算法在保证信噪比的前提下,结合多波长光电容积描记术和激光散斑成像技术,实时测量血氧饱和度和脑血流速度,最终实现在体、实时、快速、高时空分辨率的CMRO₂全局成像。为验证其可行性,本文将该技术应用于观测实验动物神经活动引起的氧代谢水平的变化。若实验动物处于稳定状态下,快速成像算法与MSRI算法的结果在时间和空间分布上是相似的,稳定性是相当的。若实验动物处于氧分压改变的环境中,CMRO₂的改变迅速发生和发展,无法使用MSRI算法准确得出,而快速成像算法可以揭示这样的变化过程。（3）本文提出了清醒小动物多模态脑光学成像技术在神经科学研究中的多项应用。本文在多项脑卒中和颅脑外伤康复研究中,应用清醒小动物多模态脑光学成像技术。该技术使成像结果免于麻醉剂的影响、实验动物免于成像系统的束缚,最终可以更加准确、全面地揭示脑卒中和颅脑外伤康复过程中脑血流指标和氧代谢水平的变化。本文首先介绍了用于清醒动物的皮层局部缺血模型,并应用清醒小动物多模态脑光学成像技术观测造模过程中的脑血流指标和氧代谢水平。为消除麻醉剂对动物模型的影响,实现急性期的多模态光学成像,本文使用光化学法诱导脑卒中发生于清醒动物。在保证动物实验伦理的情况下,从根本上解决以往的实验范式依赖麻醉剂的问题,并将研究的时间极限推进到脑卒中发生的瞬间。结果证实,清醒动物的脑卒中造模使大脑中动脉内的脑血流速度下降至造模前的20%以下。造模24小时后,神经功能缺损评分（NSS）结果为6.0±1.0,磁共振成像（MRI）结果中病灶体积为77.38±11.09 mm³,表明模型稳定有效。造模结束时光学成像得到的受影响区域面积与造模24小时后MRI结果中的病灶体积存在线性函数关系,受影响区域与病灶的位置是一致的,表明模型具有良好的可控性。应用清醒动物多模态脑光学成像技术,在研究异氟烷对脑卒中早期局部脑血流的影响中,证实异氟烷在脑卒中造模过程中会产生显著的影响,具有神经保护作用。结果显示,受到异氟烷的影响,皮层局部缺血期间脑血流速度的变化趋于平缓,造模3小时后MRI结果中病灶体积减小了57.0%,造模24小时后NSS减小了28.3%,组织学染色结果中梗死体积减小了46.9%。这一结果进一步印证了清醒小动物多模态脑光学成像技术的必要性和重要性。在颅脑外伤康复研究中,实验使用颅脑外伤幼鼠模型,经颅磁刺激（TMS）作用于神经反应已发生减退的脑组织,探讨TMS在改善颅脑外伤后神经和行为障碍中的作用。多模态脑光学成像测量实验动物在开放场实验中血流动力学指标,显示出脑血流速度和氧代谢水平出现复杂的变化。综上所述,本文提出了清醒动物多模态脑光学成像技术,实现脑血流指标和氧代谢水平的测量,并将其应用于多项神经科学研究中。本文提出的清醒动物多模态脑光学成像,将有助于研究脑组织与脑血管的相互作用、监测脑组织的神经活动。这不仅可以推动神经科学的发展,而且对疾病预防、诊断、药物开发、治疗及预后均有重要意义。