英文原文鏈接:Computational approach speeds up advanced microscopy imaging: Faster imaging means scientists can observe hundreds of neurons at once with two-photon microscopy[1]
研究人員發明一種方法可以在保證分辨率的前提下將雙光子顯微成像技術的成像速度提高五倍。這個成像速度可以使科學家觀察之前顯微設備無法觀察的快速生物現象。
在美國光學學會期刊 Optics Letters上，香港中文大學Shih-Chi Chen[2]領銜的的科研團隊描述了他們的一種新的成像方法，是利用一種叫做壓縮成像的計算成像方式與快速掃描成像方式相結合的一種新的顯微成像方法。研究者利用該種新方法在不到一秒的時間裡獲得了花粉顆粒的雙光子顯微圖像，該種成像方法的成像速度是傳統方法成像速度的五倍。
論文的第一作者Chenyang Wen說"這種依據雙光子顯微壓縮傳感的方法對於我們使用同時觀察、監測成百個神經網絡的活動是非常有效的"，研究者還說"通常，神經信號的傳遞時間大概是10ms的量級，傳統的成像速度很難滿足觀察、記錄這麼快的活動"。
快速的雙光子顯微成像是利用超快的紅外激光脈衝照射到利用熒光探針標記的樣品，之後利用熒光進行成像。由於該方式具有較高分辨率、較深成像深度（成像深度約為mm），因此該方式在生物研究中被廣泛使用。然而，在弱光條件下，需要使用點探測器逐點的掃描進行圖像的獲取與重構，因此，成像速度很受限制。為了提高成像速度，之前，研究人員提出一種利用數字微反射器件（DMD）【經常用於投影儀中的低成本的掃描儀】的多聚焦光束照明的方式。Chen說"
然而，DMD不能在超快激光光源下工作，最近，我們提出了這種方法，利用光束整形、脈衝整形、快速成像、雙光子成像等手段來保證DMD可以在超快激光下使用"。
Fig.1 實驗裝置[2]
DMD在樣品中隨機生成5-30個聚焦光斑，聚焦點的位置與光強可以通過投影到器件上的二元全息圖來控制。一次測量過程中，DMD通過刷新二元全息圖像來改變聚焦光斑的位置與記錄該點的雙光子熒光強度。該種多聚焦光束掃描方式比傳統的電子掃描更快、更靈活，但是，該種方式的成像速度還是受二元全息圖像刷新速率的影響。
這種結合方式的新方法帶來更快的成像速度，研究人員通過結合多光束掃描與壓縮傳感的方法進一步提高了成像速度。該種計算成像的方式可以利用更少次的曝光來進行圖像重構，因為該方法將圖像與取樣壓縮在一步並利用算法去填充遺漏的信息。對於雙光子顯微，該方法可以利用比傳統更少的約70%-90%的曝光進行圖像的重構。
在進行證明該方法的性能與光學參數的確定的模擬計算之後，研究人員用雙光子顯微設備進行了驗證。實驗結果證明了該種方法可以在任何視場下高速度的獲得高質量的三維圖像。例如，該方式可以通過五層花粉顆粒的數據獲得圖像，每一層使用100*100個像素，只需要0.55s，同樣的圖像利用傳統的電子掃描需要2.2s。
Wen說"對三維樣本的任意區域，我們可以在保證分辨率的條件下，實現3-5倍成像速度的增強，我們相信該種依據壓縮傳感的方法將會有助於應光控制神經元的光遺傳學領域，同時，有助於在生物與醫藥領域的新發現"。
研究者正在進一步提高圖像重構算法的速度和成像質量。他們也計劃將DMD平臺用於如基於波前修正和深度組織的成像方法。
文章插圖一覽（全部來自文獻[2]）
Fig. 2
Fig.3
Fig.5
Fig.6
[1] The Optical Society. "Computational approach speeds up advanced microscopy imaging: Faster imagingmeans scientists can observe hundreds of neurons at once with two-photon microscopy." ScienceDaily.ScienceDaily, 27 August 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190827123520.htm
[2] Chenyang Wen, Mindan Ren, Fu Feng, Wang Chen, Shih-Chi Chen. Compressive sensing for fast 3-Dand random-access two-photon microscopy. Optics Letters, 2019; 44 (17): 4343 DOI:10.1364/OL.44.00434
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