神经科学研究中的一个重要课题是探究神经系统中大规模神经元如何协同合作构成神经回路并最终作用于生物个体产生复杂的思想及行为,这一问题的解决将有助于增进人类对于不同生命体的各种复杂生理活动的深入理解,并将实际有助于对部分神经疾病治疗方法的探索。解决这一问题对于显微成像观测方法要求其在实现高分辨率的同时保持高速三维成像的优势,以实现生物体内大规模神经元群体的并行记录。相比于传统的依靠顺序扫描方式采集物体三维信息的共聚焦成像、光片荧光显微成像等方法而言,光场显微成像技术是一种无需扫描,通过拍摄单张二维光场图像并由其重建出完整三维信息的采集方法,其成像通量仅受采集相机的帧率限制,因而可以实现较高的三维成像通量。这启发我们若将光场显微成像技术的高通量优势与实时的反馈跟踪系统相结合,将有助于实现自由运动生物样本的实时行为与神经活动的同时记录,以方便后续神经活动与行为内在联系的探究。本文将基于上述探讨的实际问题,将光场显微成像技术所具有的高速三维成像优势应用到自由运动样本的神经活动与行为控制关系的探究中。一方面依托商业显微镜设计并搭建原位光场-宽场探测显微成像系统,通过采集系统的点扩散函数光场图像进行三维重建与原位宽场采集三维信息对比以证明系统的高速高分辨三维成像性能。基于上述系统,本文进一步利用微流控芯片技术进行了半自由运动线虫的双通道光场数据长时程采集,并基于采集数据对成像过程中的行为参数及神经活动分析可视化,以便于深入研究神经活动与行为的内在联系。另一方面,本文设计并搭建了基于商业显微镜的简化系统复杂度的集成荧光光场-行为探测硬件光路,并基于该设计开发了一套自由运动线虫的实时搜索跟踪系统,可实现在单高倍物镜探测下长时程完成自动化搜索样本、轮廓识别与跟踪的整套采集流程,与光场探测结合实现的稳定搜索跟踪与光场图像采集证明了该集成荧光光场-行为探测成像系统在捕捉自由运动生物样本的神经活动与实时行为方面的潜力,并为探索生物体复杂生理活动的研究奠定了技术基础。