更精细、更快速对深层组织成像的显微技术

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为了对像脑组织等人体组织成高分辨率的3D图像，研究人员经常使用双光子显微镜，它使用高强度的激光来瞄准标本，以诱导激发荧光。然而，扫描大脑深处组织可能很困难，因为光线进入深层组织时会发生散射，从而使图像变得模糊。

双光子成像耗时很长，因为它一次只能扫描一个像素。麻省理工学院和哈佛大学的一个研究小组现在已经开发出一种改良版的双光子成像技术，这种技术可以在更深处的组织内部成像，其成像速度也比以前快得多。

研究人员说，这种成像技术可以让使用者更快地获得大脑中像血管和单个神经元等结构的高分辨率图像。

 “这种技术通过改变进入组织的激光束，从而能对组织更深处且更好的成像。”这项新技术的研究者之一，麻省理工学院的科学家 Murat Yildirim 说。

这项研究的相关论文发表在Science Advances，主要作者是麻省理工学院的研究生 Cheng Zheng 和前博士后 Jong Kang Park。Dushan N. Wadduwage是是这篇论文的资深作者，他是麻省理工学院前博士后，现在是哈佛大学高级成像中心John Harvard Distinguished Science Fellow成员。其他作者包括麻省理工学院博士后 Josiah Boivin， 前麻省理工学院研究生 Yi Xue;，麻省理工学院Newton Professor of Neuroscience的Mriganka Sur; 以及麻省理工学院机械工程和生物工程教授 Peter So。

深层成像

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内的一个点上，在焦点处诱导同时吸收两个光子，此焦点的能量最高。这种长波长、低能量的光线可以穿透到组织更深处且不会损伤组织，最终可以实现表面下的深层成像。

但是，双光子成像技术通过激发荧光产生图像，其荧光信号是在可见光谱区。当成像深入到组织样本时，荧光发生的散射会变多，图像因此变得模糊。对多层组织进行成像也非常耗时。使用宽视场成像技术，即一整个平面的组织同时被照亮，可以加快这一过程，但是这种方法的分辨率不如逐点扫描的分辨率高。

麻省理工学院的研究小组希望开发一种方法，能够在保持逐点扫描的高分辨率优点的同时，一次性成像一个大组织样本。为了达到这个目的，他们想出了一种方法来操纵光线照射到样品上。他们使用一种宽视野显微镜，将一个平面的光照射到组织上，但是需要调整光的振幅，这样他们就可以实时控制每个像素。一些像素被点亮，而附近的像素保持黑暗，这种预先设计的模式可以在组织的散射光中检测到。

 “我们可以通过这种调制方式打开或关闭单个像素，” Zheng说。“如果我们关闭一些点，在每个像素周围创造出空间，然后我们就会知道在这些点周围发生了什么。”

研究人员获得原始图像后，他们使用新编计算机算法重建每个像素。

 “我们控制光线的形状，从组织中得到反应。从这些反应中，我们试图弄清组织中的散射类型。当我们从原始图像中重建图像时，我们可以获得很多原始图像中看不到的信息。”Yildirim 说。

利用这项技术，研究人员可以对肌肉组织和肾脏组织200微米深处切片成像，并且可以对老鼠大脑中300微米深处成像。Yildirim 说这种技术达到的深度是在此之前没有这种技术的两倍。这项技术成像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，对老鼠大脑中的血管进行成像，将对了解神经退行性疾病如阿尔茨海默氏症是如何影响血流等有帮助。

他说: “所有关于血液流动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，所以它们速度很慢。使用这项技术，我们可以对血流和血管结构进行高速大体积成像，以了解血液流动的变化。”

这项技术还可以通过添加电敏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探针会发光。它也可以用于分析其他类型的组织，包括肿瘤，它可以用来帮助定位肿瘤的边缘。