一种新的全息显微镜使科学家能够透过头骨看到大脑的图像

一种新的全息显微镜使科学家能够透过头骨看到大脑的图像。基于波校正算法的新型无标签深度组织成像，通过聚焦光，滤除不需要的多个散射光波，获得颅骨完好的小鼠大脑精细神经网络。

　　

   

   

图片:由IBS分子光谱学和动力学中心的研究人员开发的超深度3D全息显微镜。通过提高目标光信号比，提高图像采集速度和深度，可以观察到生物的神经网络。    

图片来源:基础科学研究所

基础科学研究所分子光谱学和动力学中心副主任崔元植、天主教大学教授金文锡、首尔大学教授崔明焕等研究小组开发出了新型全息显微镜。据说，这种新型显微镜可以实现“透视”完整的颅骨，并且能够在不移除颅骨的情况下对活体小鼠大脑内的神经网络进行高分辨率3D成像。

*作为参考，老鼠头骨的厚度和透明度与人的指甲相似。

为了利用光仔细观察生物体的内部特征，有必要a)向样品提供足够的光能B)精确测量从目标组织反射的信号。然而，在活体组织中存在多种散射效应和严重的像差^1）往往发生在光线照射到细胞时，这使得难以获得清晰的图像。

在像活组织这样的复杂结构中，光会经历多次散射，这导致光子在穿过组织时，会随机改变几次方向。由于这个过程，许多光所携带的图像信息被破坏了。然而，即使是非常少量的反射光，也可以通过校正波前来观察位于组织内部相对较深处的特征^2）被观察目标反射的光的失真。然而，上述多重散射效应干扰了这一校正过程。因此，为了获得高分辨率的深部组织图像，去除多散射波，增加单散射波的比例是很重要的。

早在2019年，IBS的研究人员就首次开发了高速时间分辨全息显微镜^3）可以消除多次散射，同时测量光的振幅和相位。他们使用这种显微镜来观察活鱼的神经网络，而不需要进行切口手术。然而，对于颅骨比鱼厚的老鼠来说，由于光线在穿过骨骼结构时发生了严重的光畸变和多次散射，如果不移除或变薄颅骨，就不可能获得大脑的神经网络图像。

研究团队成功地定量分析了光和物质之间的相互作用，这使他们能够进一步改进之前的显微镜。在最近的这项研究中，他们报道了一种超深度、三维时间分辨全息显微镜的成功开发，该显微镜可以比以往任何时候都更深入地观察组织。

具体来说，研究人员设计了一种方法，利用即使从不同角度输入光，它们也有相似的反射波形，优先选择单散射波。这是通过一个复杂的算法和一个数值运算来完成的，该运算分析了一个介质的本征模(一种将光能传递到介质中的唯一波)，这允许找到一种共振模式，该模式最大限度地提高了光的波面之间的构造干涉(当相同相位的波重叠时发生的干涉)。这使得新显微镜能够比以前聚焦超过80倍的光能在神经纤维上，同时选择性地去除不必要的信号。这使得单散射波与多散射波的比率提高了几个数量级。

研究小组通过观察老鼠的大脑，对这项新技术进行了演示。该显微镜能够纠正波前畸变的深度，这是以前使用现有技术不可能做到的。这种新型显微镜成功地获得了老鼠颅骨下神经网络的高分辨率图像。这一切都是在可见波长下完成的，不需要移除老鼠头骨，也不需要荧光标签。

奠定全息显微镜基础的金文锡教授和赵龙贤博士表示:“第一次观测复杂介质的光学共振时，受到了学术界的高度关注。从基本原理到观察老鼠头骨下的神经网络的实际应用，我们结合了物理学、生活和脑科学领域的人才的努力，开辟了脑神经成像融合技术的新途径。”

副主任CHOI Wonshik说:“很长一段时间以来，我们的中心开发了应用物理原理的超深度生物成像技术。预计我们目前的发现将对包括神经科学和精密计量工业在内的生物医学跨学科研究的发展做出巨大贡献。”

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