脑功能光学成像以其高时空分辨率的优势,在神经科学研究中占据了举足轻重的位置。其中多模式光学成像方法因其多参数同时测量的特性,正成为探索脑功能变化的一项有力工具。然而,生物组织具有散射和吸收的特性,限制了光在生物组织中的传播深度。很多重要神经疾病（如脑卒中、阿尔茨海默综合征、帕金森综合症等）相关的脑区往往位于皮层以下的较深位置,如海马体、丘脑等,而传统的光学成像方法只能用于观察大脑皮层浅表的区域,难以对其进行有效的研究。长期以来,神经科学的研究大部分是在麻醉动物身上进行的,只有少数研究是在清醒动物身上进行的。然而,神经科学研究的主要目的之一就是探索感知、行为等神经活动产生的机理,而只有在清醒动物身上才能研究动物在特定环境下进行感知和表达行为时神经系统功能的变化。因此,神经科学研究迫切需要一种能够将多模式脑功能光学成像方法应用到皮层以下深部脑区,并能够在清醒动物身上进行应用的技术,从而探索深部脑区在相关神经疾病中功能的变化及其行为和脑功能活动之间的联系。本文针对大脑深部组织脑功能光学成像方法的技术需求,提出了一种基于梯度折射率透镜的多模式光学成像方法,结合激光散斑血流成像技术和GCa MP荧光成像技术,实现了对头部受限的清醒小鼠大脑深部脑区神经活动和血流变化的同时监测,并研究了在清醒和麻醉状态下,皮层扩散性抑制对小鼠丘脑的影响。主要研究成果如下:（1）提出了一种基于梯度折射率透镜的激光散斑衬比成像方法。该方法结合了基于梯度折射率透镜的内窥成像技术和传统的激光散斑血流成像技术,可以实现对皮层以下深部脑组织血流变化的探测。该方法可应用于急性缺氧以及脑中动脉栓塞等病理模型的研究。结果显示急性缺氧导致皮层和丘脑区域血流都会发生三相变化,但缺血和再灌注的程度不同,且丘脑恢复的更快;以线栓法制备的脑中动脉栓塞模型对栓塞同侧丘脑会产生显著影响。暗示了大脑对于皮层和丘脑可能具有不同的调节保护机制。（2）设计并搭建了可用于研究头部受限的清醒状态下小鼠深部脑区的多模式脑功能光学成像系统。该系统结合了GCa MP荧光成像技术和激光散斑血流成像技术,通过基于梯度折射率透镜的头戴式显微成像系统,可实现对小鼠深部脑区神经活动和血流变化的同时监测。该系统通过Labview软件进行一体化同步控制,可实现对数据的稳定高效采集。（3）研究了清醒和麻醉状态下,皮层扩散性抑制对小鼠丘脑腹后内侧核的影响。结果表明,只有在清醒状态下,小鼠丘脑腹后内侧核的兴奋性神经元（VGlu T2）才会被皮层扩散性抑制显著激活,而在麻醉状态下并没有显著的响应。这一现象提示丘脑腹后内侧核参与了皮层扩散性抑制过程,并表明意识状态是其中重要的因素。