Science子刊：新显微技术可以更快、更精细地成像深层组织

麻省理工学院和哈佛大学的研究人员开发了一种改进版的双光子成像技术，它可以扫描组织内部的更深层次，成像速度比以前快得多。

　　

为了创建大脑等组织的高分辨率3D图像，研究人员经常使用双光子显微镜，这涉及到将高强度激光对准样本，以诱导荧光激发。然而，在大脑深处进行扫描是很困难的，因为光线在深入大脑深处时会散射，使图像变得模糊。

双光子成像也很耗时，因为它通常需要一次扫描单个像素。一个由麻省理工学院和哈佛大学的研究人员组成的团队现在已经开发了一种改进的双光子成像技术，它可以成像组织的深处，而且成像速度比以前要快得多。

研究人员说，这种成像技术可以让科学家更快地获得血管和大脑内单个神经元等结构的高分辨率图像。

这项新研究的作者之一、麻省理工学院研究科学家穆拉特·耶尔德勒姆(Murat Yildirim)说:“通过修改进入人体组织的激光束，我们发现，与以前的技术相比，我们可以进行更深入、更精细的成像。”

麻省理工学院研究生郑正和前博士后朴钟康是这篇论文的主要作者，这篇论文今天发表在《科学进展》杂志上。Dushan N. Wadduwage是这篇论文的资深作者，他曾是麻省理工学院的博士后，现在是哈佛大学高级成像中心约翰·哈佛成像杰出科学研究员。其他作者包括Josiah Boivin，麻省理工学院博士后;Yi Xue(原麻省理工学院研究生);麻省理工学院(MIT)牛顿神经科学教授Mriganka Sur;以及麻省理工学院机械工程和生物工程教授Peter So。

深度成像

双光子显微镜的工作原理是将一束强烈的近红外光照射到样品中的一个点上，在焦点处诱导两个光子同时被吸收，那里的光强是最高的。这种长波长、低能量的光可以穿透更深的组织而不损伤它，允许在表面下成像。

而双光子激发通过荧光产生图像，荧光信号在可见光谱区域。当对组织样本进行更深入的成像时，荧光光散射更多，图像变得模糊。成像多层组织也是非常耗时的。使用广角成像，即一次性照亮整个组织平面，可以加快这一过程，但这种方法的分辨率不如逐点扫描。

麻省理工学院的研究小组想要开发一种方法，使他们能够一次成像一个大的组织样本，同时仍然保持逐点扫描的高分辨率。为了达到这个目的，他们想出了一种方法来控制他们照射到样品上的光。他们使用一种宽视场显微镜，将一个平面的光照射到组织上，但是改变光的振幅，这样他们就可以在不同的时间打开或关闭每个像素。一些像素被点亮，而附近的像素保持黑暗，这种预先设计的图案可以在组织散射的光线中被检测到。

“我们可以通过这种调制来开启或关闭每个像素，”郑说。“如果我们关闭一些点，就会在每个像素周围创造空间，所以现在我们可以知道每个点上发生了什么。”

在研究人员获得原始图像后，他们使用自己创建的计算机算法重建每个像素。

“我们控制光的形状，并从组织中获得反应。从这些反应，我们试图解决组织有什么样的散射。当我们从原始图像中重建时，我们可以得到很多你在原始图像中看不到的信息，”耶尔德勒姆说。

使用这种技术，研究人员显示他们可以成像200微米深的肌肉和肾脏组织切片，300微米深的老鼠大脑。Yildirim说，这大约是没有这种模式激发和计算重建所能达到的深度的两倍。该技术生成图像的速度比传统的双光子显微镜快100到1000倍。

大脑结构

这种成像技术可以让研究人员更快地获得大脑神经元以及血管等其他结构的高分辨率图像。Yildirim说，老鼠大脑中的血管成像可能对了解更多关于阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病如何影响血液流动特别有用。

他说:“所有关于血流或血管结构形态的研究都是基于双光子或三光子点扫描系统，所以速度很慢。”“通过使用这项技术，我们可以对血流和血管结构进行高速容积成像，以了解血流的变化。”

这项技术还可以通过添加电压敏感荧光染料或荧光钙探针来测量神经元的活动，当神经元兴奋时，这些荧光染料或荧光钙探针就会发光。它也可以用于分析其他类型的组织，包括肿瘤，在那里它可以用来帮助确定肿瘤的边缘。

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