計算微型螢光介觀成像技術

2020-12-03 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#顯微技術12個

撰稿 | H （哈工大 博士生）

大腦作為人體作為複雜的器官，是人類一切行為和意識的來源。人類對大腦的探索剛剛經歷起步，其複雜程度讓眾多學者望而卻步。大腦中，單個神經元尺寸為數微米量級，而神經網絡跨度卻達到了毫米甚至釐米量級。

為了充分觀測大腦，需要跨越從微觀到宏觀的鴻溝，在實現單個神經元動態觀測的同時，亦需要對局部或者整個大腦神經網絡進行研究。

其中，螢光成像是生物學家和神經科學家的必不可少的工具，但傳統的顯微鏡存在空間帶寬積有限、景深不足和無法解調三維位置的問題。

於是，介觀成像成為研究熱點，這是一種連接微觀世界和宏觀世界的特殊顯微技術，能實現多個尺度的測量，觀測範圍可以細微至微米量級，亦可以龐大至釐米量級。

如今介觀成像技術的研究熱點主要分三個方面：

首先，由於需要特殊多尺度透鏡設計，各種介觀成像技術均面臨空間帶寬積與光學系統複雜度之間的矛盾，因此對於如何利用傳統光學結構提高空間帶寬積成為了一個研究重點。

其次，系統的視場大小也往往因為成像深度不足而受到限制，大量研究旨在拓展介觀成像系統的視場大小。

此外，介觀成像技術的目的是實現活體動物的大腦實時成像，這便需要顯微系統具有足夠的成像速率，以及極小的系統體積重量。

因此，如何實現微型化的快速顯微成像亦是介觀成像技術的研究重點。

近日，波士頓大學田磊【⏬】團隊提出了一種計算微型介觀成像技術（Computational Miniature Mesoscope，簡稱：CM2)。它具有緊湊的頭戴式微型顯微結構，利用樣品螢光分子的稀疏性進行重構，該技術只需單幀圖像，便可實現三維成像。CM2實現了的大視場成像，景深達到2.5mm，橫向和縱向解析度分別可以達到7μm和210μm。相比於現存的微型顯微鏡，它的視場增加了至少10倍，景深增長了近100倍。

該成果題為「Single-shot 3D wide-field fluorescence imaging with a Computational Miniature Mesoscope」，以封面文章形式發表於Science Advances。

圖源：Science Advances

針對現今介觀成像技術的問題，作者為CM2設計了簡單而巧妙的光學系統（圖1），其分為兩部分：成像模塊和照明模塊。

圖1 CM2的原理和結構示意圖

成像模塊與普通顯微鏡不同，該過程無需使用物鏡，主體為一個固定在3D列印支架上的微透鏡陣列（MLA），利用光多路復用捕獲3D信息，其點擴散函數（PSF）不再是單一的焦點，而是以多個焦點的形式分布。

該成像模塊的設計優勢主要表現在三個方面：

首先，CM2利用MLA代替物鏡，規避了物鏡對視場大小的限制，從而可以得到較大的視場和空間帶寬積。

其次，這種多視角有限共軛的光學設計為CM2提供了隨深度快速變化的PSF，為準確的3D重構奠定了基礎。

最後，該成像模塊有效地壓縮了介觀成像系統的體積，實現了微型化。

照明模塊亦具有獨特的設計。作者擯棄了傳統的同軸照明光路，取而代之的是採用LED陣列，該陣列包含四個LED，其對稱分布於MLA邊緣處，對樣品進行傾斜落射照明，使照明光均勻分布於樣品表面。這樣的結構解決了同軸照明光工作距離長、封裝體積大的缺點，進一步壓縮體積。

然而，該技術也並非完美無瑕，在硬體體積大小方面，此版本的CM2介觀成像技術的體積和重量受限於圖像傳感器和LED陣列，尚不能應用於頭戴式活體成像。若進一步採用微型化成像電路板和微型LED模塊，可將重量控制在4g至5g，體積可以被壓縮至。在成像質量方面，其光子利用率（~20%）和視場、解析度、對比度等方面均有待提升。總的來說，未來，計算微型螢光介觀成像技術可能會在各種大尺寸活體3D神經記錄和生物醫學應用中打開令人興奮的機會之門。

文章信息

Science Advances 21 Oct 2020: Vol. 6, no. 43, eabb7508

論文地址

https://doi.org/10.1126/sciadv.abb7508

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原標題：《計算微型螢光介觀成像技術》

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