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可实时三维成像的激光扫描立体显微镜

导读: 日前,中国科学院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室超分辨成像团队研制成功双光子激发激光扫描实时立体显微镜。

当一只实验小鼠看到猫的图像,它的大脑将如何运作?这条新信息在包含数千万个神经元的神经网络中又如何传输?怎样利用光学显微镜窥探其中的奥秘?这是当代生命科学研究对光学显微成像技术提出的新挑战。

日前,中国科学院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室超分辨成像团队研制成功双光子激发激光扫描实时立体显微镜。“它可以让我们像观看立体电影一样实时地观测动态的三维微观世界,无需光切片,无需耗时的三维图像重构。”团队核心成员杨延龙博士如是说。原来,传统的光学显微技术遇到了两个问题。一个问题是成像景深很小,一次只能看到样品中薄薄的一层,无法直接看到样品的三维分布。另一个更困难的问题是:想要模仿人类通过双目视觉感知周围的三维世界,就需要把贝塞尔光束沿两个方向扫描,如果这两个方向成像的时间延迟过大,转瞬即逝的荧光信号就无法被准确的捕获和定位。如双光子激发激光扫描荧光显微技术,自20世纪90年代提出后被广泛应用于神经成像等领域,“简单来说,传统方法需要利用光切片原理一层一层的去扫描,要对样品完成三维成像,通常需要数十层乃至上百层的二维图像进行叠加重建得到。整个三维成像过程耗时至少数分钟,速度很慢,因此无法满足活体生物的动态三维成像。”杨延龙博士解释说。

西安光机所超分辨成像团队在姚保利研究员和叶彤研究员的带领下,采用了一种拉长的聚焦激光束——贝塞尔光束来完成扫描,通过对光束的控制,可以不做光切片,一次性的将厚的三维样品清晰成像。西安光机所的研究人员攻克难关,设计了复杂的激光扫描装置,实现了对贝塞尔光束的三自由度快速扫描,可在毫秒(千分之一秒)量级进行双视角切换。

这意味着什么呢?通俗的说,假如一只蜜蜂从我们前面飞过,我们需要两只眼睛同时看到它,大脑才能准确感知它的位置,如果左右两只眼睛交替睁开闭合,大脑就无法准确地判断蜜蜂的位置。而新的技术手段在“毫秒级”的切换使得双视角成像可在瞬间完成,从而可以实时的捕获样品的三维动态变化。

该技术首次实现了基于双视角激光扫描的实时立体显微成像和显示系统,其三维成像速度比传统的逐点扫描方式提高了一到两个数量级。也就是说,以前数分钟到数十分钟的成像过程,如今几秒就可完成,该双光子立体显微成像系统为活体生物的三维实时成像和显示提供了一种新的观测工具,可用于观测转瞬即逝的神经信号在神经网络中的传递。据了解这项研究先后在中科院“百人计划”和国家自然科学基金的支持下,从基本原理验证,关键技术突破,到原理样机完成,经历了从基础研究到应用集成的各个环节。

目前,课题组正在与国内外相关科研机构开展生物医学应用的合作研究,期望尽快将该项技术应用于生物活体三维快速成像和显示领域。

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