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科学家发明了一种新型显微镜,可以看穿完整的头骨

来源:https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201202095148.htm       阅读量:147     时间:2022-04-08 17:27:14

光学相干显微镜和双光子显微镜等非侵入性显微技术通常用于活体组织的体内成像。当光通过生物组织等混浊材料时,会产生两种类型的光:弹道光子和多重散射光子。弹道光子直接穿过物体而不经历任何偏转,因此用于重建物体图像。另一方面,当光穿过材料时,通过随机偏转产生多重散射光子,并在重建图像中显示为散斑噪声。随着光传播距离的增加,多重散射光子和弹道光子之间的比率急剧增加,从而模糊了图像信息。

特别是骨组织具有许多复杂的内部结构,这些结构会导致严重的多重光散射和复杂的光学像差。当通过完整的头骨对小鼠大脑进行光学成像时,由于强烈的散斑噪声和图像失真,神经系统的精细结构难以可视化。这在神经科学研究中是个问题,因为老鼠被广泛用作模型生物。由于目前使用的成像技术的限制,颅骨必须被移除或变薄,以显微镜下研究脑组织的神经网络。

因此,已经提出了其他解决方案来实现活组织的更深成像。例如,近年来,三光子显微镜已成功用于对小鼠颅骨下方的神经元进行成像。然而,三光子显微镜受到低激光重复率的限制,因为它采用红外范围内的激发窗口,这可能会在体内成像过程中损坏活体组织。它还具有过度的激发功率,这意味着与双光子方法相比,光漂白更广泛。

近日,韩国首尔基础科学研究所(IBS)分子光谱与动力学中心CHOI Wonshik教授领导的研究团队在深层组织光学成像方面取得重大突破。他们开发了一种新型光学显微镜,可以通过完整的小鼠头骨成像,并在不损失空间分辨率的情况下获取脑组织中神经网络的显微图。

这种新型显微镜被称为反射矩阵显微镜,它结合了硬件和计算自适应光学 (AO) 的强大功能,这是一项最初为地面天文学开发的用于校正光学像差的技术。传统的共聚焦显微镜仅测量照明焦点处的反射信号并丢弃所有失焦光,而反射矩阵显微镜则记录焦点以外位置的所有散射光子。然后使用一种称为单散射闭环累积 (CLASS) 的新型 AO 算法对散射光子进行计算校正,该算法是该团队于 2017 年开发的。该算法利用所有散射光来选择性地提取弹道光并校正严重的光学像差。与最传统的 AO 显微镜系统相比,需要类似亮点的反射器或荧光物体作为导星,类似于天文学中 AO 的使用,反射矩阵显微镜无需任何荧光标记且不依赖于目标的结构即可工作。此外,可以校正的像差模式数量是传统 AO 系统的 10 倍以上。

反射矩阵显微镜的一大优势在于,它可以直接与已经广泛应用于生命科学领域的常规双光子显微镜相结合。为了消除双光子显微镜激发光束所经历的像差,该团队在反射矩阵显微镜内部署了基于硬件的自适应光学器件,以抵消小鼠头骨的像差。他们通过拍摄小鼠头骨后面神经元树突棘的双光子荧光图像展示了新显微镜的功能,其空间分辨率接近衍射极限。通常,传统的双光子显微镜无法在不完全从颅骨中取出脑组织的情况下解析树突棘的精细结构。这是一项意义非凡的成*,因为韩国小组通过完整的小鼠头骨展示了神经网络的**个高分辨率成像。这意味着现在可以研究处于最原始状态的小鼠大脑。

进行这项研究的研究教授 YOON Seokchan 和研究生 LEE Hojun 说:通过校正波前失真,我们可以将光能聚焦在活组织内的所需位置。” “我们的显微镜使我们能够研究活组织深处的精细内部结构,这些结构无法通过任何其他方式解决。这将极大地帮助我们进行早期疾病诊断并加快神经科学研究。

研究人员设定了下一个研究方向,以最小化显微镜的外形尺寸并提高其成像速度。目标是开发用于临床的具有高成像深度的无标记反射矩阵显微镜。

CHOI Wonshik 副主任说:反射矩阵显微镜是超越传统光学显微镜限制的下一代技术。这将使我们能够拓宽我们对光通过散射介质传播的理解,并扩大光学显微镜的应用范围。显微镜可以探索。

转载:https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201202095148.htm

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