科學(xué)家開發(fā)出了一種方法，可以在不影響分辨率的情況下將雙光子顯微鏡成像速度提高五倍！這種創(chuàng)紀(jì)錄的成像速度將使科學(xué)家們，能夠觀察到以前過于短暫而無(wú)法用當(dāng)前最先進(jìn)顯微鏡成像的生物現(xiàn)象。

在光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)出版的《光學(xué)通訊》(Optical Letters)期刊上，由香港中文大學(xué)Shih-Chi Chen領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，描述了他們?nèi)绾螌⒁环N稱為壓縮成像的計(jì)算成像方法，與一種更快的掃描方法結(jié)合起來(lái)。

使用這種新方法在不到一秒時(shí)間內(nèi)獲得了花粉顆粒的雙光子顯微鏡圖像，使用傳統(tǒng)的方法這將需要五倍的時(shí)間。這種基于壓縮傳感的雙光子顯微鏡方法，將有助于可視化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。通常，神經(jīng)元在10毫秒的時(shí)間尺度上傳輸信號(hào)，而傳統(tǒng)系統(tǒng)太慢了。雙光子顯微鏡工作原理是將超快的紅外激光脈沖傳輸?shù)綐悠分?，在樣品中與組織或熒光標(biāo)記相互作用，這些組織或熒光標(biāo)記發(fā)出用于創(chuàng)建圖像的信號(hào)。

雙光子顯微鏡被廣泛用于生物學(xué)研究，因?yàn)樗軌虍a(chǎn)生高分辨率的3-D圖像，深度達(dá)1毫米。然而，這些優(yōu)點(diǎn)帶來(lái)了有限的成像速度，因?yàn)槲⒐鈼l件需要逐點(diǎn)圖像采集和重建的點(diǎn)檢測(cè)器。為了加快成像速度，科學(xué)家之前開發(fā)了一種多焦點(diǎn)激光照明方法，該方法使用數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)，這是一種通常用于投影儀的低成本光掃描儀。此前人們認(rèn)為這些DMD不能與超快激光一起工作。然而現(xiàn)在解決了這個(gè)問題，這使得DMD在超快激光應(yīng)用中得以應(yīng)用，這些應(yīng)用包括光束整形、脈沖整形、快速掃描和雙光子成像。

DMD在樣品內(nèi)隨機(jī)選擇的位置上產(chǎn)生5到30點(diǎn)聚焦激光。每個(gè)光點(diǎn)的位置和強(qiáng)度由投射到設(shè)備上的二元全息圖控制。在每次測(cè)量期間，DMD反射全息圖以改變每個(gè)焦點(diǎn)的位置，并用單像素探測(cè)器記錄雙光子熒光的強(qiáng)度。盡管在許多方面，DMD多焦點(diǎn)掃描比傳統(tǒng)的光柵掃描更靈活和更快，但速度仍然受到設(shè)備可以形成光圖案的速率限制。在新的研究中，研究人員通過將多聚焦掃描與壓縮傳感相結(jié)合，進(jìn)一步提高了成像速度。

這種計(jì)算方法能夠以較少的曝光進(jìn)行圖像重建，因?yàn)樗趩蝹€(gè)步驟中執(zhí)行采樣和圖像壓縮，然后使用算法來(lái)填充缺失的信息。對(duì)于雙光子顯微鏡，它能使用比傳統(tǒng)方法少70%到90%的曝光來(lái)重建樣本。在進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)以展示新方法的性能并確定最佳參數(shù)后，研究人員用雙光子成像實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。這些實(shí)驗(yàn)證明了該技術(shù)在任何視場(chǎng)都能以高成像速度產(chǎn)生高質(zhì)量3-D圖像的能力。例如，能夠在0.55秒內(nèi)從花粉顆粒的五層獲取圖像。

每層測(cè)量100×100像素，用光柵掃描獲得的相同圖像花費(fèi)了2.2秒。在成像三維樣品中任意選擇的區(qū)域時(shí)，在不犧牲分辨率的情況下，在成像速度上實(shí)現(xiàn)了3到5倍的增強(qiáng)，這種基于壓縮傳感的新方法將有助于光遺傳學(xué)等方法使用，其中光被用來(lái)控制神經(jīng)元，并將導(dǎo)致生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面的新發(fā)現(xiàn)。研究人員正在努力進(jìn)一步提高重建算法的速度和圖像質(zhì)量，還計(jì)劃將DMD平臺(tái)與其他先進(jìn)的成像技術(shù)一起使用，例如深層組織成像的波前校正。

博科園｜研究/來(lái)自：光學(xué)學(xué)會(huì)

參考期刊《光學(xué)快報(bào)》

DOI: 10.1364/OL.44.004343

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