索爾克生物研究所開發(fā)基于微光學(xué)元件的可穿戴顯微鏡

雖然，熒光成像可以揭示動(dòng)物脊髓切片中神經(jīng)元活動(dòng)的細(xì)節(jié)，但從活體中收集數(shù)據(jù)可能具有挑戰(zhàn)性。

梯度折射率透鏡等微光學(xué)元件的發(fā)展使光學(xué)平臺(tái)能夠大大小型化，但這些微光學(xué)元件可能會(huì)對(duì)可收集的數(shù)據(jù)施加自身的限制。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的一個(gè)研究項(xiàng)目展示了一種帶有定制微光學(xué)元件的可穿戴顯微鏡，旨在提供高速多色成像，能夠植入小鼠體內(nèi)并觀察脊髓中的神經(jīng)元活動(dòng)。

索爾克生物研究所開發(fā)了兩種可穿戴顯微鏡，用于實(shí)時(shí)成像小鼠脊髓的神經(jīng)元活動(dòng)。

在Nature Communications和Nature Biotechnology期刊中報(bào)道，該研究項(xiàng)目稱其解決了以前可穿戴顯微鏡的多重挑戰(zhàn)，包括有限的工作距離、分辨率、對(duì)比度和消色差范圍。

索爾克生物研究所韋特（Waitt）高級(jí)生物光子學(xué)中心Axel Nimmerjahn說道：“新型可穿戴顯微鏡使我們能夠以其它高分辨率技術(shù)無法達(dá)到的速度和區(qū)域看到與感覺和運(yùn)動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)。我們的可穿戴顯微鏡從根本上改變了研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可能性。”

該可穿戴顯微鏡的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括大于2毫米的工作距離、1至2微米的空間分辨率以及寬廣的消色差范圍。在光學(xué)建模之后，索爾克生物研究所構(gòu)建了一對(duì)圍繞六個(gè)定制微透鏡構(gòu)建的儀器，這些微透鏡安裝在大約7和14毫米寬、重量不到0.2克的鏡筒組件中。

微棱鏡植入物也被植入到感興趣的組織區(qū)域附近，這是該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。微棱鏡增加了成像深度，因此可以首次觀察到以前無法到達(dá)的區(qū)域的細(xì)胞，并允許同時(shí)對(duì)不同深度的細(xì)胞進(jìn)行成像，并且對(duì)組織的干擾最小。

在對(duì)活體小鼠的試驗(yàn)中，植入式微棱鏡和可穿戴顯微鏡的結(jié)合能夠?qū)⑴c疼痛處理的脊髓中的星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行成像，并跟蹤它們?cè)谛∈笪舶吞幱诨顒?dòng)狀態(tài)時(shí)跨脊髓節(jié)段發(fā)送協(xié)調(diào)信號(hào)的情況。到目前為止，人們還不可能知道動(dòng)物的脊髓區(qū)域的這種細(xì)胞活動(dòng)是什么樣的。

索爾克生物研究所Daniela Duarte說：“能夠可視化疼痛信號(hào)發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)以及參與該過程的細(xì)胞使我們能夠測(cè)試和設(shè)計(jì)治療干預(yù)措施。這些新的可穿戴顯微鏡可以徹底改變疼痛的研究。”

杜克大學(xué)研發(fā)基于54個(gè)攝像頭的多相機(jī)陣列顯微鏡

杜克大學(xué)（Duke University）開發(fā)的圖像拼接技術(shù)也代表著從自由移動(dòng)的活體動(dòng)物身上收集3D成像數(shù)據(jù)的進(jìn)步。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，在Nature Photonics期刊上描述的多相機(jī)陣列顯微鏡（MCAM）代表了一種獲取連續(xù)圖像快照以觀察大面積區(qū)域或測(cè)量3D信息的新方法。

多相機(jī)陣列顯微鏡及獲取的圖像

這項(xiàng)技術(shù)正在由杜克大學(xué)分拆出的公司——Ramona Optics進(jìn)行商業(yè)化。

多相機(jī)陣列顯微鏡采用由54個(gè)攝像頭組成的同步陣列，可在135平方厘米的區(qū)域內(nèi)捕捉高速3D空間視頻，實(shí)現(xiàn)高達(dá)每秒230幀的成像速度。生成的數(shù)據(jù)（每秒可能超過五十億像素）然后由名為“3D-RAPID”的3D重建算法進(jìn)行處理。

“我們開發(fā)了新的算法，可以有效地處理這些極其龐大的視頻數(shù)據(jù)集。”該論文的第一作者Kevin Zhou說道，“我們的算法將物理學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，以融合來自所有攝像頭的視頻流，并跨時(shí)空恢復(fù)3D行為信息。”

該平臺(tái)用于對(duì)暴露于神經(jīng)活性藥物的斑馬魚進(jìn)行成像，尋找可以幫助研究人員開發(fā)新的潛在治療方法或更好地了解現(xiàn)有治療方法的行為變化。多相機(jī)陣列顯微鏡允許研究人員從活魚中獲取數(shù)據(jù)，而不是從被束縛或被擊倒的動(dòng)物中獲取數(shù)據(jù)。

“憑借這種顯微鏡的3D成像和熒光成像功能，其可以改變?cè)S多發(fā)育生物學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式。”杜克大學(xué)Jennifer Bagwell說。

審核編輯：劉清