2023年2月3日，華中科技大學(xué)費(fèi)鵬團(tuán)隊(duì)在Cell子刊STAR Protocols雜志上發(fā)表了題為“A practical guide to deep-learning light-field microscopy for 3D imaging of biological dynamics”的實(shí)驗(yàn)方案文章。該文章提供了深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)光場顯微鏡的實(shí)施步驟，其中包括簡單易實(shí)施的光場顯微鏡搭建步驟和用戶友好的軟件包及其詳細(xì)的操作說明。

觀測高度動(dòng)態(tài)的生物學(xué)過程對生命科學(xué)研究具有極大的意義，例如心臟跳動(dòng)、血液流動(dòng)和神經(jīng)活動(dòng)。這些過程經(jīng)常發(fā)生在單個(gè)細(xì)胞級別的三維空間尺度和毫秒級時(shí)間尺度。因此，如何快速而準(zhǔn)確地捕捉這些三維空間中的動(dòng)態(tài)變化信息，以揭示信號的時(shí)空演變規(guī)律和背后的生物學(xué)機(jī)制，是一個(gè)非常重要的挑戰(zhàn)。然而，目前主流的三維熒光顯微成像技術(shù)，如掃描共聚焦顯微鏡和光片顯微鏡等高分辨掃描顯微鏡，由于受到激發(fā)光子數(shù)量的限制，其成像速度通常被限制在秒到分鐘級。而常規(guī)的光場顯微鏡需要通過犧牲空間分辨率來換取高時(shí)間分辨率，這使得它們難以觀察到上述三維動(dòng)態(tài)生物學(xué)過程的變化。

針對上述問題，該文章系統(tǒng)地介紹了費(fèi)鵬團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)提出的一種深度學(xué)習(xí)光場顯微鏡的實(shí)驗(yàn)方案。該方案結(jié)合了高速的光場熒光顯微鏡和基于深度學(xué)習(xí)的光場重建算法，能夠以單細(xì)胞分辨率對毫秒級動(dòng)態(tài)生物學(xué)過程進(jìn)行百赫茲幀率的三維成像。該方法高時(shí)空分辨率的三維成像能力為很多重要生物學(xué)應(yīng)用提供了可能，例如行為相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)以及模型生物的心血管血液動(dòng)力學(xué)等。

實(shí)施深度學(xué)習(xí)光場顯微鏡的步驟包括：搭建光場顯微鏡并用其進(jìn)行三維熒光信號的高速采集；進(jìn)行基于深度學(xué)習(xí)的光場三維重建算法的數(shù)據(jù)處理和模型訓(xùn)練；用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對采集到的時(shí)序動(dòng)態(tài)光場信號進(jìn)行三維重建（圖1）。最后本方案以線蟲和斑馬魚這兩類典型模式生物為例，提供了自由運(yùn)動(dòng)線蟲神經(jīng)元和斑馬魚心跳血流的成像流程，并且基于重建結(jié)果展示了對線蟲神經(jīng)活動(dòng)和斑馬魚心血管血液動(dòng)力學(xué)的定量分析流程。

圖1 深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)光場顯微鏡的實(shí)施步驟

本文提供的光場成像系統(tǒng)搭建方案是便于用戶實(shí)施的簡單易操作的（圖2）。該方案基于常規(guī)商用寬場顯微鏡設(shè)計(jì)，便于用戶進(jìn)行樣品的固定和操作。其中所有光學(xué)和光機(jī)械件都是易于購買的，并采用了簡單易操作的籠式系統(tǒng)。

圖2 光場顯微鏡原理及樣機(jī)示意圖

另外，為了保證用戶能以最高效的方式達(dá)到最優(yōu)的三維重建結(jié)果，文章中還基于配套的軟件包以及實(shí)例教程，提供了一套針對光場三維重建網(wǎng)絡(luò)的特定數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程。其中包括便于構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)的光場投影算法、適用于不同成像需求的多種推薦的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

最后以線蟲和斑馬魚這兩類典型模式生物為例，詳述了研究自由運(yùn)動(dòng)線蟲神經(jīng)元活動(dòng)和活體斑馬魚心臟血流動(dòng)力學(xué)兩個(gè)具體生物應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和定量分析流程，實(shí)例結(jié)果如圖3所示。

圖3 深度學(xué)習(xí)光場顯微鏡用于自由運(yùn)動(dòng)線蟲神經(jīng)元活動(dòng)和跳動(dòng)斑馬魚心臟的血流動(dòng)力學(xué)研究

審核編輯：劉清