哈佛学者开发新的成像技术：速度提高100-1000倍

科学家希望它能让他们看到复杂系统的内部运作

　　

         

Dushan Wadduwage在他西北的实验室里使用激光进行深层组织成像的研究。

科学家们希望它能让他们看到复杂系统的内部运作

长期以来，显微镜学家一直在寻找一种方法，能够及时地对活体进行高质量的深层组织成像。到目前为止，当研究复杂生物系统的内部工作时，他们不得不在图像质量和速度之间做出选择。

专家们说，一个更好的成像系统将对生物学和神经科学的研究人员产生强大的影响。现在Dushan N. Wadduwage，一位在FAS高级成像中心的约翰哈佛杰出科学研究员，和一个来自麻省理工学院的团队，在《科学进展》杂志的一篇报告中详细介绍了一项新技术，该技术将使这一切成为可能。

在这篇论文中，该团队提出了一种新方法，利用计算成像获得高分辨率图像的速度比其他使用复杂算法和机器学习的先进技术快100到1000倍。这种方法可以缩短通常需要几个月到几天的过程。

         

19um -deep成像平面上的小鼠肌肉标本的TFM和DEEP-TFM图像。蓝色和红色通道分别为细胞核(用Hoechst 33342染色)和F-actin(用Alexa Fluor 568 Phalloidin染色)。Dushan N. Wadduwage提供

该系统被称为“兴奋模式反散射”(DEEP)，被认为是同类系统中的第一个，可能有一天会导致对复杂过程(比如大脑中的那些过程)的功能有新的理解，因为DEEP可以捕捉其他显微镜无法捕捉的图像。

因为新系统有可能加快他们可以形象以及多快能做到,”科学家将图像快速处理他们没能捕获之前,如当一个神经元受到刺激或如何移动的信号在大脑中,“Wadduwage说。“此外，因为它在技术上更快，你可以一次成像更大的面积，而不是像慢成像系统那样，只是一个小视野。”这就像能够看到更大的图像，这对神经科学家和其他生物学家获得更好的统计数据以及看到被成像区域周围发生的事情非常重要。”

该系统的工作原理与许多其他动物成像技术类似。近红外激光被用来穿透生物组织，使光散射。这些光激发了研究人员想要成像的荧光分子，这些分子发出信号，显微镜捕捉到这些信号形成图像。

这类图像主要有两种拍摄方式。点扫描多光子显微镜可以深入标本并捕捉高质量的图像，但这一过程非常缓慢，因为图像是一次形成一个点。例如，捕捉厘米大小的图像可能需要几个月的时间。它也限制了对快速生物动力学的研究，比如神经元放电。另一种方法叫做时间聚焦显微镜。这种方法速度快得多，可以在更大范围内捕捉图像，但它无法捕捉超过百万分之一米深度的高分辨率图像。荧光灯散射过多，导致相机检测到图像退化。

表层以下100um的皮层血管系统的DEEP-TFM成像。左侧面板红色通道为深tfm照明;左侧面板绿色通道为采集图像;重建如图所示。随着光照模式数目的增加，重建效果得到改善。

Dushan N. Wadduwage提供

然而，DEEP允许大规模和快速的组织穿透，并产生高分辨率的图像。与时间显微镜方法一样，该系统将一束宽光投射到物体上，但激光是一种特定的模式。计算成像算法知道初始模式，当它被散射时，利用收集到的信息来逆转这个过程，然后重建它，反散射图像。这一点尤其值得注意，因为它需要从数百万次测量到数十次甚至数百次的结构特征重建。DEEP可以通过散射组织成像数百微米深，类似于点扫描技术。

DEEP仍处于开发的早期阶段，但已经走出了概念验证阶段。

Wadduwage说:“我们展示了我们可以在活老鼠的大脑中成像大约300微米。”“但由于这只是第一次演示，这项技术的几乎所有方面都有改进的空间。”