显微成像领域新进展：可穿戴显微镜、多相机阵列显微镜
2023-04-02 22:00:04 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
索尔克生物研究所的一个研究项目展示了一种带有定制微光学元件的可穿戴显微镜，旨在提供高速多色成像，能够植入小鼠体内并观察脊髓中的神经元活动。
索尔克生物研究所开发基于微光学元件的可穿戴显微镜
虽然，荧光成像可以揭示动物脊髓切片中神经元活动的细节，但从活体中收集数据可能具有挑战性。
梯度折射率透镜等微光学元件的发展使光学平台能够大大小型化，但这些微光学元件可能会对可收集的数据施加自身的限制。
据麦姆斯咨询报道，近期，索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的一个研究项目展示了一种带有定制微光学元件的可穿戴显微镜，旨在提供高速多色成像，能够植入小鼠体内并观察脊髓中的神经元活动。
索尔克生物研究所开发了两种可穿戴显微镜，用于实时成像小鼠脊髓的神经元活动。
在Nature Communications和Nature Biotechnology期刊中报道，该研究项目称其解决了以前可穿戴显微镜的多重挑战，包括有限的工作距离、分辨率、对比度和消色差范围。
索尔克生物研究所韦特（Waitt）高级生物光子学中心Axel Nimmerjahn说道：“新型可穿戴显微镜使我们能够以其它高分辨率技术无法达到的速度和区域看到与感觉和运动相关的神经元活动。我们的可穿戴显微镜从根本上改变了研究中枢神经系统的可能性。”
该可穿戴显微镜的设计目标包括大于2毫米的工作距离、1至2微米的空间分辨率以及宽广的消色差范围。在光学建模之后，索尔克生物研究所构建了一对围绕六个定制微透镜构建的仪器，这些微透镜安装在大约7和14毫米宽、重量不到0.2克的镜筒组件中。
微棱镜植入物也被植入到感兴趣的组织区域附近，这是该系统的关键组成部分。微棱镜增加了成像深度，因此可以首次观察到以前无法到达的区域的细胞，并允许同时对不同深度的细胞进行成像，并且对组织的干扰最小。
在对活体小鼠的试验中，植入式微棱镜和可穿戴显微镜的结合能够对参与疼痛处理的脊髓中的星形胶质细胞和神经胶质细胞进行成像，并跟踪它们在小鼠尾巴处于活动状态时跨脊髓节段发送协调信号的情况。到目前为止，人们还不可能知道动物的脊髓区域的这种细胞活动是什么样的。
索尔克生物研究所Daniela Duarte说：“能够可视化疼痛信号发生的时间和地点以及参与该过程的细胞使我们能够测试和设计治疗干预措施。这些新的可穿戴显微镜可以彻底改变疼痛的研究。”
杜克大学研发基于54个摄像头的多相机阵列显微镜
杜克大学（Duke University）开发的图像拼接技术也代表着从自由移动的活体动物身上收集3D成像数据的进步。据该团队称，在Nature Photonics期刊上描述的多相机阵列显微镜（MCAM）代表了一种获取连续图像快照以观察大面积区域或测量3D信息的新方法。
多相机阵列显微镜及获取的图像
这项技术正在由杜克大学分拆出的公司——Ramona Optics进行商业化。
多相机阵列显微镜采用由54个摄像头组成的同步阵列，可在135平方厘米的区域内捕捉高速3D空间视频，实现高达每秒230帧的成像速度。生成的数据（每秒可能超过五十亿像素）然后由名为“3D-RAPID”的3D重建算法进行处理。
“我们开发了新的算法，可以有效地处理这些极其庞大的视频数据集。”该论文的第一作者Kevin Zhou说道，“我们的算法将物理学与机器学习相结合，以融合来自所有摄像头的视频流，并跨时空恢复3D行为信息。”
该平台用于对暴露于神经活性药物的斑马鱼进行成像，寻找可以帮助研究人员开发新的潜在治疗方法或更好地了解现有治疗方法的行为变化。多相机阵列显微镜允许研究人员从活鱼中获取数据，而不是从被束缚或被击倒的动物中获取数据。
“凭借这种显微镜的3D成像和荧光成像功能，其可以改变许多发育生物学家进行实验的方式。”杜克大学Jennifer Bagwell说。
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