分析新型顯微鏡及它的功能

近，由韓國首爾基礎科學研究所(IBS)分子光譜與動力學中心的Choi Wonshik教授領導的研究團隊在深組織光學成像領域取得了重大突破。他們開發了一種新型光學顯微鏡，可以通過完整的小鼠頭骨成像，并在不損失空間分辨率的情況下獲取腦組織中神經網絡的顯微圖。

這種新型顯微鏡被稱為“反射矩陣顯微鏡”，它結合了硬件和計算自適應光學(AO)的功能，該技術初是為地面天文學開發的，用于校正光學像差。傳統的共聚焦顯微鏡僅在照明的焦點處測量反射信號并丟棄所有聚焦光，而反射矩陣顯微鏡則在焦點以外的位置記錄所有散射的光子。然后，該團隊于2017年開發了一種新的AO算法，稱為單散射閉環累積(CLASS)，對散射光子進行了計算校正。該算法利用所有散射光有選擇地提取彈道光并糾正嚴重的光學像差。與大多數傳統的AO顯微鏡系統相比，天文學類似在天文學中使用AO那樣，需要像亮點一樣的反射鏡或熒光物體作為引導星，反射矩陣顯微鏡的工作原理是不帶有任何熒光標記，并且不依賴于目標的結構。此外，可以校正的像差模式數量是傳統AO系統的10倍以上。

諸如光學相干顯微鏡和雙光子顯微鏡的非侵入性顯微鏡技術通常用于活體組織的體內成像。當光穿過諸如生物組織之類的混濁物質時，會產生兩種類型的光：彈道光子和倍增散射光子。彈道光子直接穿過物體而不會發生任何偏轉，因此被用于重建物體圖像。另一方面，當光穿過材料時，通過隨機偏轉產生多重散射光子，并在重建圖像中顯示為斑點噪聲。隨著光傳播通過越來越遠的距離，多重散射光子和彈道光子之間的比率急劇增加，從而模糊了圖像信息。

骨組織尤其具有許多復雜的內部結構，這會導致嚴重的多重光散射和復雜的光學像差。當通過完整的頭骨對小鼠大腦進行光學成像時，由于強烈的斑點噪聲和圖像失真，很難看到神經系統的精細結構。這在神經科學研究中是有問題的，其中鼠標被廣泛用作模型生物。由于當前使用的成像技術的局限性，必須將顱骨切除或變薄以顯微鏡檢查下方腦組織的神經網絡。

因此，已經提出了其他解決方案以實現對活組織的更深成像。例如，近年來，三光子顯微鏡已成功地用于在小鼠頭骨下成像神經元。但是，三光子顯微鏡受到低激光重復率的限制，因為它采用了紅外范圍內的激發窗口，這會在體內成像過程中損壞活組織。它還具有過高的激發功率，這意味著與雙光子方法相比，光漂白的范圍更廣。

研究教授尹Seokchan和研究生李HOJUN，誰進行了研究，他說，“通過修正波面變形，我們可以集中光能活體組織內所需的位置。我們的顯微鏡讓我們來研究精細的內部結構深在無法通過其他任何方式解決的活組織中。這將極-大地幫助我們進行早期疾病診斷并加快神經科學研究。”

研究人員設定了他們的下一個研究方向，以-大程度地減少顯微鏡的尺寸并提高其成像速度。目標是開發用于的具有高成像深度的無標簽反射矩陣顯微鏡。

副主任崔Wonshik說，“反射矩陣顯微鏡是下一代技術超越了傳統光學顯微鏡的局限性。這將使我們能夠通過散射介質拓寬我們的光傳播的了解，擴大應用范圍，一個光顯微鏡可以探索。”

反射矩陣顯微鏡具有很大的優勢，因為它可以與已經在生命科學領域中廣泛使用的常規兩光子顯微鏡直接組合。為了消除雙光子顯微鏡的激發光束產生的像差，該團隊在反射矩陣顯微鏡內部署了基于硬件的自適應光學器件，以抵消老鼠頭骨的像差。他們通過在老鼠頭骨后方的神經元的樹突棘上拍攝兩光子熒光圖像，展示了這種新型顯微鏡的功能，其空間分辨率接近衍射極限。通常，傳統的兩光子顯微鏡無法解決樹突棘的精細結構，而不能從顱骨中*去除腦組織。這是非常重要的成就，韓國小組展示了通過完整的小鼠頭骨進行的神經網絡的*高分辨率成像。這意味著現在可以研究其原始狀態的鼠標大腦。