3D functional imaging of neuronal activity in entire organisms at single cell level and physiologically relevant time scales faces major obstacles due to trade-offs between the size of the imaged volumes, and spatial and temporal resolution. Here, using light-field microscopy in combination with 3D deconvolution, we demonstrate intrinsically simultaneous volumetric functional imaging of neuronal population activity at single neuron resolution for an entire organism, the nematode Caenorhabditis elegans. The simplicity of our technique and possibility of the integration into epi-fluoresence microscopes makes it an attractive tool for high-speed volumetric calcium imaging.

We report the first experimental generation and characterization of a six-photon Dicke state. The produced state shows a fidelity of F=0.56+/-0.02 with respect to an ideal Dicke state and violates a witness detecting genuine six-qubit entanglement by four standard deviations. We confirm characteristic Dicke properties of our resource and demonstrate its versatility by projecting out four- and five-photon Dicke states, as well as four-photon GHZ and W states. We also show that Dicke states have interesting applications in multiparty quantum networking protocols such as open-destination teleportation, telecloning and quantum secret sharing.

Currently, a serious problem obstructing the large-scale clinical applications of fluorescence technique is the shallow penetration depth. Two-photon fluorescence microscopic imaging with excitation in the longer-wavelength near-infrared (NIR) region (>1100 nm) and emission in the NIR-I region (650–950 nm) is a good choice to realize deep-tissue and high-resolution imaging. Here, we report ultradeep two-photon fluorescence bioimaging with 1300 nm NIR-II excitation and NIR-I emission (peak ∼810 nm) based on a NIR aggregation-induced emission luminogen (AIEgen). The crab-shaped AIEgen possesses a planar core structure and several twisting phenyl/naphthyl rotators, affording both high fluorescence quantum yield and efficient two-photon activity. The organic AIE dots show high stability, good biocompatibility, and a large two-photon absorption cross section of 1.22 × 103 GM. Under 1300 nm NIR-II excitation, in vivo two-photon fluorescence microscopic imaging helps to reconstruct the 3D vasculature with a high spatial resolution of sub-3.5 μm beyond the white matter (>840 μm) and even to the hippocampus (>960 μm) and visualize small vessels of ∼5 μm as deep as 1065 μm in mouse brain, which is among the largest penetration depths and best spatial resolution of in vivo two-photon imaging. Rational comparison with the AIE dots manifests that two-photon imaging outperforms the one-photon mode for high-resolution deep imaging. This work will inspire more sight and insight into the development of efficient NIR fluorophores for deep-tissue biomedical imaging.

Brillouin microscopy (BM) can be used to assess the mechanical properties of biological samples in a 3D, all-optical, and hence non-contact fashion, but its weak signals require long imaging times and illumination dosages harmful to living organisms. Here, we present a line-scanning Brillouin microscope optimized for fast and high-resolution live-imaging of dynamic biological processes with low photo-toxicity. In combination with fluorescence light-sheet imaging, we demonstrate the capabilities of our microscope to visualize the mechanical properties of cells and tissues over space and time in living model organisms such as fruit flies, ascidians, and mouse embryos.

Summary During development, organisms interact with their natural habitats while undergoing morphological changes, yet it remains unclear whether the interplay between developing systems and their environments impacts animal morphogenesis. Here, we use the cnidarian Nematostella vectensis as a developmental model to uncover a mechanistic link between organism size, shape and behavior. Using quantitative live imaging, including extensive behavioral profiling, combined with molecular and biophysical experiments, we demonstrate that the muscular hydraulic machinery that controls body movement directly drives larva-polyp morphogenesis. Unexpectedly, size and shape development are differentially controlled by antagonistic muscles. A simple theoretical model shows how a combination of slow-priming and fast-pumping pressures generated by muscular hydraulics acts as a global mechanical regulator that coordinates tissue remodeling. Altogether, our findings illuminate how dynamic behavioral modes in the environment can be harnessed to drive morphogenetic trajectories, establishing ethology as a critical component of organismal morphogenesis – termed ethology of morphogenesis.

Light-field microscopy (LFM) has emerged as a powerful tool for fast volumetric image acquisition in biology, but its effective throughput and widespread use has been hampered by a computationally demanding and artefact-prone image reconstruction process. Here, we present a novel framework consisting of a hybrid light-field light-sheet microscope and deep learning-based volume reconstruction, where single light-sheet acquisitions continuously serve as training data and validation for the convolutional neural network reconstructing the LFM volume. Our network delivers high-quality reconstructions at video-rate throughput and we demonstrate the capabilities of our approach by imaging medaka heart dynamics and zebrafish neural activity.

Multi-photon microscopy has become a powerful tool to visualize the morphology and function of neural cells and circuits in the intact mammalian brain. Yet, tissue scattering, optical aberrations, and motion artifacts degrade the achievable image quality with depth. Here we developed a minimally invasive intravital imaging methodology by combining three-photon excitation, indirect adaptive optics correction, and active electrocardiogram gating to achieve near-diffraction limited resolution up to a depth of 1.2mm in the mouse brain. We demonstrate near-diffraction-limited imaging of deep cortical and sub-cortical dendrites and spines as well as of calcium transients in deep-layer astrocytes in vivo .