利用结构光照明打造微型显微镜，实现神经元级别的大脑3D活体成像
2022-04-09 13:11:06 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
美国科罗拉多大学博尔德分校的一个研究项目已经开发出一种微型荧光显微镜，可用于大脑结构成像。该显微镜使用结构光照明作为提升成像性能的方式，据称该方式属同类首创。
SIMscope3D设备可深入观察活体大脑细胞和神经元回路。
高对比度和高分辨率的大脑活动成像
由于微型显微镜在活体神经活动成像方面的潜力，在活体动物身上实现安装微型显微镜是目前一项重要的研究课题。
目前的典型案例是Mini2P探头，它通过微型化必要的光学结构，将双光子成像的优势以及消除离焦光的能力引入到小鼠大脑成像中。
据麦姆斯咨询报道，美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的一个研究项目已经开发出一种微型荧光显微镜，可用于大脑结构成像。该显微镜使用结构光照明作为提升成像性能的方式，据称该方式属同类首创。
这项研究以题为“Miniature structured illumination microscope for in vivo 3D imaging of brain structures with optical sectioning”发表于Biomedical Optics Express期刊。研究中显示，该研究团队的SIMscope3D设备能够实现比微型宽场显微镜更深入的成像，以揭示脑细胞和神经元回路的工作细节。
特别是，科罗拉多大学博尔德分校的这项研究旨在解决仍存在于改善型3D显微镜等应用中的关于消除散射光的挑战，尤其是涉及识别结构特征的方面。
“开发神经系统疾病的新治疗方法需要在细胞和神经元回路级别了解大脑。”科罗拉多大学安舒茨医学院（Anschutz Medical Campus）的Emily Gibson表示，“新的光学成像工具，尤其是那些可以对脑组织深层成像的工具（比如我们团队所开发的显微镜），对于实现这一目标非常重要。”
使用某种形式的结构光照明（如网格照明模式），再结合图像重建技术，就可以提供光学切片的途径，尽管所需的光学组件可能不适用于活体动物研究中所设想的小型化轻量平台。
这项研究的解决方案是利用相干光纤束将空间图案的光传输到微型显微镜的物镜上，同时利用可调谐电润湿透镜，通过改变显微镜的焦点深度，而无需任何活动部件，从而实现大脑结构的3D可视化。
利用3D活体成像了解多发性硬化症
这项研究中，研究人员还将CMOS图像传感器直接集成到显微镜中，使得成像具有高的横向分辨率，同时避免了图像穿过光纤束时可能产生的伪影。研究团队认为，由于使用了LED光源，这种新型显微镜即使在对高度散射的组织进行深度成像时，也能产生强对比度。
SIMscope3D光学系统的原理图
该研究团队在论文中指出：“本研究所选择的组件旨在提供高对比度和高分辨率，这种组合使得该微型显微镜不同于其他用于细胞级别的神经活动成像的显微镜，后者无需更高的对比度和分辨率。”
在实验中，该系统在清醒小鼠体内对标记有荧光蛋白的少突胶质细胞和小神经胶质细胞进行了成像，这些小鼠被放置在可保持其头部静止的设备中，其轴向分辨率可达18微米。少突胶质细胞的损伤是多发性硬化症的一个重要特征，改善对这类细胞的成像质量对该疾病的治疗非常重要。
“我们利用该微型显微镜记录了清醒小鼠大脑120微米深处的神经胶质细胞动力学的时间序列。”科罗拉多大学博尔德分校的Omkar Supekar补充道，“科学家们并不完全了解这些细胞是如何工作或其修复过程。我们的显微镜为长期研究这些细胞如何迁移和修复提供了可能。”
该研究获得美国国立卫生研究院的基金支持，论文链接：https://doi.org/10.1364/BOE.449533。
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