索爾克生物研究所開發(fā)基于微光學元件的可穿戴顯微鏡

雖然，熒光成像可以揭示動物脊髓切片中神經(jīng)元活動的細節(jié)，但從活體中收集數(shù)據(jù)可能具有挑戰(zhàn)性。

梯度折射率透鏡等微光學元件的發(fā)展使光學平臺能夠大大小型化，但這些微光學元件可能會對可收集的數(shù)據(jù)施加自身的限制。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的一個研究項目展示了一種帶有定制微光學元件的可穿戴顯微鏡，旨在提供高速多色成像，能夠植入小鼠體內(nèi)并觀察脊髓中的神經(jīng)元活動。

索爾克生物研究所開發(fā)了兩種可穿戴顯微鏡，用于實時成像小鼠脊髓的神經(jīng)元活動。

在Nature Communications和Nature Biotechnology期刊中報道，該研究項目稱其解決了以前可穿戴顯微鏡的多重挑戰(zhàn)，包括有限的工作距離、分辨率、對比度和消色差范圍。

索爾克生物研究所韋特（Waitt）高級生物光子學中心Axel Nimmerjahn說道：“新型可穿戴顯微鏡使我們能夠以其它高分辨率技術(shù)無法達到的速度和區(qū)域看到與感覺和運動相關(guān)的神經(jīng)元活動。我們的可穿戴顯微鏡從根本上改變了研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可能性。”

該可穿戴顯微鏡的設計目標包括大于2毫米的工作距離、1至2微米的空間分辨率以及寬廣的消色差范圍。在光學建模之后，索爾克生物研究所構(gòu)建了一對圍繞六個定制微透鏡構(gòu)建的儀器，這些微透鏡安裝在大約7和14毫米寬、重量不到0.2克的鏡筒組件中。

微棱鏡植入物也被植入到感興趣的組織區(qū)域附近，這是該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。微棱鏡增加了成像深度，因此可以首次觀察到以前無法到達的區(qū)域的細胞，并允許同時對不同深度的細胞進行成像，并且對組織的干擾最小。

在對活體小鼠的試驗中，植入式微棱鏡和可穿戴顯微鏡的結(jié)合能夠?qū)⑴c疼痛處理的脊髓中的星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)膠質(zhì)細胞進行成像，并跟蹤它們在小鼠尾巴處于活動狀態(tài)時跨脊髓節(jié)段發(fā)送協(xié)調(diào)信號的情況。到目前為止，人們還不可能知道動物的脊髓區(qū)域的這種細胞活動是什么樣的。

索爾克生物研究所Daniela Duarte說：“能夠可視化疼痛信號發(fā)生的時間和地點以及參與該過程的細胞使我們能夠測試和設計治療干預措施。這些新的可穿戴顯微鏡可以徹底改變疼痛的研究。”

杜克大學研發(fā)基于54個攝像頭的多相機陣列顯微鏡

杜克大學（Duke University）開發(fā)的圖像拼接技術(shù)也代表著從自由移動的活體動物身上收集3D成像數(shù)據(jù)的進步。據(jù)該團隊稱，在Nature Photonics期刊上描述的多相機陣列顯微鏡（MCAM）代表了一種獲取連續(xù)圖像快照以觀察大面積區(qū)域或測量3D信息的新方法。

多相機陣列顯微鏡及獲取的圖像

這項技術(shù)正在由杜克大學分拆出的公司——Ramona Optics進行商業(yè)化。

多相機陣列顯微鏡采用由54個攝像頭組成的同步陣列，可在135平方厘米的區(qū)域內(nèi)捕捉高速3D空間視頻，實現(xiàn)高達每秒230幀的成像速度。生成的數(shù)據(jù)（每秒可能超過五十億像素）然后由名為“3D-RAPID”的3D重建算法進行處理。

“我們開發(fā)了新的算法，可以有效地處理這些極其龐大的視頻數(shù)據(jù)集?！痹撜撐牡牡谝蛔髡逰evin Zhou說道，“我們的算法將物理學與機器學習相結(jié)合，以融合來自所有攝像頭的視頻流，并跨時空恢復3D行為信息?！?/p>

該平臺用于對暴露于神經(jīng)活性藥物的斑馬魚進行成像，尋找可以幫助研究人員開發(fā)新的潛在治療方法或更好地了解現(xiàn)有治療方法的行為變化。多相機陣列顯微鏡允許研究人員從活魚中獲取數(shù)據(jù)，而不是從被束縛或被擊倒的動物中獲取數(shù)據(jù)。

“憑借這種顯微鏡的3D成像和熒光成像功能，其可以改變許多發(fā)育生物學家進行實驗的方式?！倍趴舜髮WJennifer Bagwell說。

審核編輯：劉清