分析新型顯微鏡及它的功能

近，由韓國首爾基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)分子光譜與動(dòng)力學(xué)中心的Choi Wonshik教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在深組織光學(xué)成像領(lǐng)域取得了重大突破。他們開發(fā)了一種新型光學(xué)顯微鏡，可以通過完整的小鼠頭骨成像，并在不損失空間分辨率的情況下獲取腦組織中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顯微圖。

這種新型顯微鏡被稱為“反射矩陣顯微鏡”，它結(jié)合了硬件和計(jì)算自適應(yīng)光學(xué)(AO)的功能，該技術(shù)初是為地面天文學(xué)開發(fā)的，用于校正光學(xué)像差。傳統(tǒng)的共聚焦顯微鏡僅在照明的焦點(diǎn)處測量反射信號(hào)并丟棄所有聚焦光，而反射矩陣顯微鏡則在焦點(diǎn)以外的位置記錄所有散射的光子。然后，該團(tuán)隊(duì)于2017年開發(fā)了一種新的AO算法，稱為單散射閉環(huán)累積(CLASS)，對(duì)散射光子進(jìn)行了計(jì)算校正。該算法利用所有散射光有選擇地提取彈道光并糾正嚴(yán)重的光學(xué)像差。與大多數(shù)傳統(tǒng)的AO顯微鏡系統(tǒng)相比，天文學(xué)類似在天文學(xué)中使用AO那樣，需要像亮點(diǎn)一樣的反射鏡或熒光物體作為引導(dǎo)星，反射矩陣顯微鏡的工作原理是不帶有任何熒光標(biāo)記，并且不依賴于目標(biāo)的結(jié)構(gòu)。此外，可以校正的像差模式數(shù)量是傳統(tǒng)AO系統(tǒng)的10倍以上。

諸如光學(xué)相干顯微鏡和雙光子顯微鏡的非侵入性顯微鏡技術(shù)通常用于活體組織的體內(nèi)成像。當(dāng)光穿過諸如生物組織之類的混濁物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種類型的光：彈道光子和倍增散射光子。彈道光子直接穿過物體而不會(huì)發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)，因此被用于重建物體圖像。另一方面，當(dāng)光穿過材料時(shí)，通過隨機(jī)偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生多重散射光子，并在重建圖像中顯示為斑點(diǎn)噪聲。隨著光傳播通過越來越遠(yuǎn)的距離，多重散射光子和彈道光子之間的比率急劇增加，從而模糊了圖像信息。

骨組織尤其具有許多復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的多重光散射和復(fù)雜的光學(xué)像差。當(dāng)通過完整的頭骨對(duì)小鼠大腦進(jìn)行光學(xué)成像時(shí)，由于強(qiáng)烈的斑點(diǎn)噪聲和圖像失真，很難看到神經(jīng)系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。這在神經(jīng)科學(xué)研究中是有問題的，其中鼠標(biāo)被廣泛用作模型生物。由于當(dāng)前使用的成像技術(shù)的局限性，必須將顱骨切除或變薄以顯微鏡檢查下方腦組織的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

因此，已經(jīng)提出了其他解決方案以實(shí)現(xiàn)對(duì)活組織的更深成像。例如，近年來，三光子顯微鏡已成功地用于在小鼠頭骨下成像神經(jīng)元。但是，三光子顯微鏡受到低激光重復(fù)率的限制，因?yàn)樗捎昧思t外范圍內(nèi)的激發(fā)窗口，這會(huì)在體內(nèi)成像過程中損壞活組織。它還具有過高的激發(fā)功率，這意味著與雙光子方法相比，光漂白的范圍更廣。

研究教授尹Seokchan和研究生李HOJUN，誰進(jìn)行了研究，他說，“通過修正波面變形，我們可以集中光能活體組織內(nèi)所需的位置。我們的顯微鏡讓我們來研究精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)深在無法通過其他任何方式解決的活組織中。這將極-大地幫助我們進(jìn)行早期疾病診斷并加快神經(jīng)科學(xué)研究。”

研究人員設(shè)定了他們的下一個(gè)研究方向，以-大程度地減少顯微鏡的尺寸并提高其成像速度。目標(biāo)是開發(fā)用于的具有高成像深度的無標(biāo)簽反射矩陣顯微鏡。

副主任崔Wonshik說，“反射矩陣顯微鏡是下一代技術(shù)超越了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的局限性。這將使我們能夠通過散射介質(zhì)拓寬我們的光傳播的了解，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，一個(gè)光顯微鏡可以探索。”

反射矩陣顯微鏡具有很大的優(yōu)勢，因?yàn)樗梢耘c已經(jīng)在生命科學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的常規(guī)兩光子顯微鏡直接組合。為了消除雙光子顯微鏡的激發(fā)光束產(chǎn)生的像差，該團(tuán)隊(duì)在反射矩陣顯微鏡內(nèi)部署了基于硬件的自適應(yīng)光學(xué)器件，以抵消老鼠頭骨的像差。他們通過在老鼠頭骨后方的神經(jīng)元的樹突棘上拍攝兩光子熒光圖像，展示了這種新型顯微鏡的功能，其空間分辨率接近衍射極限。通常，傳統(tǒng)的兩光子顯微鏡無法解決樹突棘的精細(xì)結(jié)構(gòu)，而不能從顱骨中*去除腦組織。這是非常重要的成就，韓國小組展示了通過完整的小鼠頭骨進(jìn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的*高分辨率成像。這意味著現(xiàn)在可以研究其原始狀態(tài)的鼠標(biāo)大腦。