近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院研究員鄭煒團隊在高分辨雙光子顯微成像技術(shù)研發(fā)中取得系列進展。

第一項研究工作與華中科技大學(xué)教授費鵬團隊合作完成，開發(fā)出基于多幀重構(gòu)提高雙光子成像軸向分辨率的方法。與傳統(tǒng)雙光子成像相比，該方法對成像軸向分辨率和信噪比均提升超過3倍。相關(guān)研究成果以Axial resolution improvement of two-photon microscopy by multi-frame reconstruction and adaptive optics為題，發(fā)表在Biomedical Optics Express上，深圳先進院博士葉世蔚為論文第一作者。雙光子顯微技術(shù)以其深層穿透和天然層析能力在生物成像中發(fā)揮重要作用，尤其是在大腦神經(jīng)環(huán)路成像中。然而，傳統(tǒng)雙光子成像技術(shù)的軸向分辨率一般是幾個微米甚至更差，大于亞微米尺度的橫向分辨率，不利于分辨三維分布的一些精細(xì)結(jié)構(gòu)，如神經(jīng)環(huán)路上沿軸向分布的軸突、樹突和突觸等結(jié)構(gòu)。

該研究中，研究人員將多幀重構(gòu)算法用于雙光子成像，結(jié)合自主研發(fā)的自適應(yīng)光學(xué)模塊和相位補償方法，實現(xiàn)雙光子成像軸向分辨率3倍提升，信噪比提升超過3倍。利用該系統(tǒng)，研究人員對小鼠離體腦片和活體大腦進行成像研究，觀測到一般雙光子成像無法分辨的軸向細(xì)節(jié)，包括胞體的精細(xì)連接、更加清晰的軸突邊界和小膠質(zhì)突起等；實時追蹤敗血癥小鼠模型，清晰觀察到小膠質(zhì)細(xì)胞的三維形態(tài)變化。該研究提供了一種三維高分辨成像技術(shù)，有利于進一步了解腦機理和診治重大腦疾病。

第二項研究工作是開發(fā)出新型自適應(yīng)光學(xué)方法，用于提高雙光子成像質(zhì)量。該方法使1 mm左右的深層腦組織成像時，成像分辨率提升1倍，信噪比提升5倍。相關(guān)研究成果以Adaptive optics via pupil ring segmentation improves spherical aberration correction for two-photon imaging of optically cleared tissues為題，發(fā)表在Optics Express上。深圳先進院助理研究員高玉峰為論文第一作者，副研究員李慧為論文通訊作者。雙光子顯微結(jié)合組織光透明技術(shù)能夠在樣品深層處進行亞微米級的熒光成像，這對研究神經(jīng)環(huán)路、連接和功能具有重要意義。但是，組織光透明劑處理后的樣品與物鏡的標(biāo)準(zhǔn)浸潤介質(zhì)的折射率不匹配，這會引入球差、降低雙光子的成像分辨率和熒光信號的強度。針對該問題，研究人員提出新型環(huán)形矯正的自適應(yīng)光學(xué)方法來補償折射率不匹配，從而降低球差提高成像質(zhì)量。

該方法使深層樣品（1 mm）成像時的橫向分辨率從1.27 μm提高到 0.75 μm，縱向分辨率從4 μm提高到2 μm，熒光信號強度提高5倍以上。這些參數(shù)的提高帶動雙光子成像效果的提升，使研究人員能夠觀察到光透明處理的腦片1 mm深度下的樹突棘結(jié)構(gòu)。該研究提高了雙光子在光透明樣品中的成像質(zhì)量，為開展腦科學(xué)和相關(guān)腦疾病的研究提供重要成像工具。

　　

圖1.對Thy1-GFP-M小鼠腦片成像結(jié)果比較。四個比較面均為XZ面，TPM: 雙光子成像，AO MR-TPM：基于自適應(yīng)光學(xué)和多幀重構(gòu)的雙光子成像，Scale bar：10 μm

　

圖2.用環(huán)形矯正方法對光透明處理的Thy1-GFP-M小鼠腦片成像結(jié)果。左側(cè)，x-y平面上球差矯正前后對比；右側(cè)，x-z平面上球差矯正前后對比。Scale bar：20 μm

研究工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項目和重大研究計劃等的支持。

論文鏈接：1. https://www.osapublishing.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-11-11-6634&id=441832 

2. https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-28-23-34935&id=442295