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大脑是人体的中枢神经系统，它由数以亿计的神经元组成，自发的形成许多的功能结构——脑区。这些脑区之间既相互独立又相互协作，形成一定的信息处理回路和网络。而其中与很多重要神经疾病有关的脑区（如纹状体、丘脑、杏仁核等）都是位于皮层以下较深的区域，如何有效的获取这些深部脑区的网络结构和功能信息是脑科学研究的重要内容。 神经环路是大脑信息处理的基本单元，光学成像是目前在单细胞水平研究脑神经环路的常用方法，特别是结合转基因技术和钙敏感荧光蛋白使得可以利用光学方法实现神经环路中特定类型神经元的钙信号检测。但由于生物组织的高散射和高吸收，传统的光学成像方法（如双光子）只能用于观测1 mm以内的皮层区域。另一方面，对脑区功能的研究往往涉及到特定的行为范式，而已有的光学系统结构过于庞大，不能对行为小鼠特别是自由活动的小鼠进行钙信号记录。围绕上述问题，如何在行为动物中实现深脑神经活动的光学检测是本文主要的研究内容。 本文选取背侧纹状体作为主要对象。为了给背侧纹状体的功能研究提供结构参照，利用改造后的狂犬病病毒逆向示踪标记方法获取了背侧纹状体中三种主要类型神经元（γ-氨基丁酸能投射神经元1型、2型和胆碱能中间神经元）的全脑连接回路。 由于背侧纹状体与其他脑区形成了复杂的回路，要理解回路中信息处理的过程，就需要对多个脑区的神经元活动进行同步监测。利用多模光纤束和扫描式的时分复用采集方法，设计并实现了多通道光纤记录系统，能够同时进行多个脑区神经元群体信号的同步记录。利用这套系统，在一只头部固定小鼠的左右两侧桶状皮层和多只自由活动小鼠的眶额叶皮层上实现了钙信号的同步记录。这个方法实现了自由活动小鼠的深脑群体钙信号的多位点同步记录，对于研究神经回路中信息的编码和处理过程以及动物社交行为中的个体神经元活动差异性具有重要的意义。 针对某一个具体核团的研究，还需在神经环路水平提供单细胞分辨的结构和功能成像结果。基于渐变折射率透镜和共振型振镜，设计并实现了的快速扫描共聚焦显微成像系统，成像（512×512像素）速度为15帧/秒，成像深度>1mm，实现了清醒行为小鼠的背侧纹状体和其上游的眶额叶皮层的神经元钙成像。基于渐变折射率光纤的深脑钙成像系统对多模光纤记录方法是有益的补充，也为进一步研究深脑核团对信息的空间编码特征提供了一种有效的研究方法。 利用光纤在较小损伤的情况下将深脑光学信号传递到表层是解决光学方法在体研究检测深度的一种有效的途径。本文提供的这两种方法将为脑功能特别是深部脑区的功能研究提供有效的技术手段，为进一步理解脑部疾病的发病机理，提出相应的治疗和干预手段提供理论和数据支持。