當一隻實驗小鼠看到貓的圖像，它的大腦將如何運作？這條新信息在包含數千萬個神經元的神經網絡中又如何傳輸？怎樣利用光學顯微鏡窺探其中的奧秘？這是當代生命科學研究對光學顯微成像技術提出的新挑戰。
日前，中國科學院西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室超分辨成像團隊研製成功雙光子激發雷射掃描實時立體顯微鏡。「它可以讓我們像觀看立體電影一樣實時地觀測動態的三維微觀世界，無需光切片，無需耗時的三維圖像重構。」團隊核心成員楊延龍博士如是說。原來，傳統的光學顯微技術遇到了兩個問題。一個問題是成像景深很小，一次只能看到樣品中薄薄的一層，無法直接看到樣品的三維分布。另一個更困難的問題是：想要模仿人類通過雙目視覺感知周圍的三維世界，就需要把貝塞爾光束沿兩個方向掃描，如果這兩個方向成像的時間延遲過大，轉瞬即逝的螢光信號就無法被準確的捕獲和定位。如雙光子激發雷射掃描螢光顯微技術，自20世紀90年代提出後被廣泛應用於神經成像等領域，「簡單來說，傳統方法需要利用光切片原理一層一層的去掃描，要對樣品完成三維成像，通常需要數十層乃至上百層的二維圖像進行疊加重建得到。整個三維成像過程耗時至少數分鐘，速度很慢，因此無法滿足活體生物的動態三維成像。」楊延龍博士解釋說。
西安光機所超分辨成像團隊在姚保利研究員和葉彤研究員的帶領下，採用了一種拉長的聚焦雷射束——貝塞爾光束來完成掃描，通過對光束的控制，可以不做光切片，一次性的將厚的三維樣品清晰成像。西安光機所的研究人員攻克難關，設計了複雜的雷射掃描裝置，實現了對貝塞爾光束的三自由度快速掃描，可在毫秒（千分之一秒）量級進行雙視角切換。
這意味著什麼呢？通俗的說，假如一隻蜜蜂從我們前面飛過，我們需要兩隻眼睛同時看到它，大腦才能準確感知它的位置，如果左右兩隻眼睛交替睜開閉合，大腦就無法準確地判斷蜜蜂的位置。而新的技術手段在「毫秒級」的切換使得雙視角成像可在瞬間完成，從而可以實時的捕獲樣品的三維動態變化。
該技術首次實現了基於雙視角雷射掃描的實時立體顯微成像和顯示系統，其三維成像速度比傳統的逐點掃描方式提高了一到兩個數量級。也就是說，以前數分鐘到數十分鐘的成像過程，如今幾秒就可完成，該雙光子立體顯微成像系統為活體生物的三維實時成像和顯示提供了一種新的觀測工具，可用於觀測轉瞬即逝的神經信號在神經網絡中的傳遞。據了解這項研究先後在中科院「百人計劃」和國家自然科學基金的支持下，從基本原理驗證，關鍵技術突破，到原理樣機完成，經歷了從基礎研究到應用集成的各個環節。
目前，課題組正在與國內外相關科研機構開展生物醫學應用的合作研究，期望儘快將該項技術應用於生物活體三維快速成像和顯示領域。