深度学习赋能高速转盘光片显微镜实现小鼠全脑秒级三维各向同性成像

《PhotoniX》：Second-level high-speed 3D isotropic imaging of whole mouse brain using deep-learning spinning-disk light-sheet microscopy

本研究针对传统轴向扫描光片显微镜(ASLM)成像速度慢、空间信息受限的问题，开发了基于转盘调制的ASLM(SDLM)技术，结合循环神经网络图像恢复模型，实现了100 Hz高速、15倍视场扩展的各向同性三维成像。该系统仅用10秒即可完成完整小鼠大脑(~9×8×5 mm)的单细胞分辨率(1.5μm体素)成像，为全脑神经元追踪和细胞分布分析提供了高效解决方案，推动了大规模生物样本高分辨率成像的发展。

　　

在生物医学研究领域，对大型生物样本进行高速、高分辨率的三维成像一直是个重大挑战。传统的光片荧光显微镜虽然具有成像速度快、光毒性低等优点，但在分辨率和成像视野之间存在难以调和的矛盾。特别是轴向扫描光片显微镜(ASLM)技术，虽然能够实现各向同性的高分辨率成像，但由于机械扫描速度的限制，其成像速度往往难以满足大规模样本的成像需求。

近期，华中科技大学的研究团队在《PhotoniX》杂志发表了一项突破性研究，他们开发了一种基于转盘调制的光片显微镜系统(SDLM)，结合深度学习算法，成功实现了小鼠全脑的秒级三维各向同性成像。这项技术不仅解决了传统ASLM成像速度慢的问题，还将成像视野扩展了15倍，为大规模生物样本的高通量成像提供了全新的解决方案。

研究人员采用了几项关键技术：自主研发的梯度厚度转盘调制系统实现高速轴向扫描，同步滚动快门采集确保光学切片质量，循环神经网络(RSD NET)进行图像超分辨率重建，PEGASOS组织透明化方法处理样本，以及双视角图像融合技术减少散射效应。实验使用了vGlut1-Cre/LSL-H2B-GFP和vGlut2-Cre/LSL-HB-GFP转基因小鼠模型。

Spinning-disk light-sheet microscopy(SDLM) with isotropic resolution

研究人员设计了一种创新的转盘调制系统，通过旋转具有梯度厚度的PMMA转盘，连续调制光程差，实现光片焦点的快速轴向扫描。与传统使用压电平台或电动可调透镜(ETL)的ASLM系统不同，这种转盘调制方式能够达到100 Hz的扫描速度，仅受相机帧率的限制。系统采用高斯光束经转盘调制后，通过柱面镜形成光片，最终在样品中产生厚度约3μm、焦距范围达6mm的均匀照明光片。

SDLM high speed mouse brain imaging

通过对Thy1-GFP-m转基因小鼠全脑成像，研究人员验证了SDLM系统的性能。与未同步的SPIM和同步SPIM相比，SDLM在整个视场内保持了均匀的高轴向分辨率。在4.4倍放大倍数下，系统仅用10分钟就完成了9个区块的成像和拼接，获得了各向同性的全脑图像。从皮层、海马和中脑等区域的高分辨率图像中，可以清晰识别神经元胞体和投射纤维。

Recurrent network boosts imaging throughput by 43 times with high fidelity

为了进一步提高成像通量，研究人员开发了循环神经网络(RSD NET)进行图像超分辨率重建。该网络采用两步超分辨率策略，首先将图像从1.1倍放大倍数提升到2.2倍，再通过循环操作实现4倍提升。与一步超分辨率网络相比，循环网络能够更好地恢复神经元树突等超微结构，将系统的空间带宽积(SBP)提高了两个数量级。

Rapid 3D imaging of single neurons in mouse brain

利用1.1倍放大倍数的SDLM系统结合循环神经网络，研究人员实现了秒级的小鼠全脑成像。整个成像流程包括：20秒内采集两个相对视角的图像，融合得到低分辨率全脑图像，通过双步网络计算生成高分辨率结果。该方法能够清晰显示皮层、海马和丘脑等区域的神经细节，实现单个神经元的精确追踪。

Whole-brain cell profiling

研究人员建立了从SDLM成像到分析的全流程工作流，包括组织透明化、高分辨率SDLM成像、基于BIRDS的脑区分割和细胞计数。通过对vGlut1-Cre/LSL-H2B-GFP和vGlut2-Cre/LSL-H2B-GFP两种基因型小鼠的全脑细胞分析，发现vGlut2-Cre小鼠在全脑标记了更多的神经元，而vGlut1-Cre小鼠在丘脑和中脑区域的标记细胞数量显著少于vGlut2-Cre小鼠。

这项研究开发的SDLM技术成功解决了传统ASLM成像速度慢、视野有限的问题，通过转盘调制实现了100 Hz的高速轴向扫描，结合深度学习算法进一步提高了成像通量和分辨率。该系统能够在秒级时间内完成小鼠全脑的各向同性成像，为大规模生物样本的高通量三维成像提供了强大工具。研究人员还展示了该系统在单个神经元追踪和全脑细胞分布分析中的应用，为神经科学研究提供了新的技术手段。这种硬件创新与软件增强的协同策略，不仅推动了光片显微镜技术的发展，也为未来在体研究应用拓宽了道路。