為了創建大腦等組織的高分辨率 3D 圖像,研究人員經常使用雙光子顯微鏡,其中涉及將高強度激光瞄準標本以誘導熒光激發。然而,在大腦深處掃描可能很困難,因為光線會隨著深入組織而從組織中散射出來,從而使圖像變得模糊。


雙光子成像也很耗時,因為它通常需要一次掃描單個像素。


麻省理工學院和哈佛大學的一組研究人員現在已經開發出一種雙光子成像的改進版本,可以在組織內更深地成像,并且比以前更快地執行成像。


研究人員說,這種成像可以讓科學家更快地獲得大腦內血管和單個神經元等結構的高分辨率圖像。


雙光子成像顯微鏡,可以快速獲得大腦血管和神經元的高分辨率圖像


通過修改進入組織的激光束,可以比以前的技術更深入,進行更精細的成像。


深度成像


雙光子顯微鏡的工作原理是將一束強近紅外光照射到樣品內的單個點上,誘導兩個光子在強度最高的焦點處同時吸收。這種長波長、低能量的光可以深入組織而不會損壞組織,從而可以在表面下方成像。


雙光子激發通過熒光產生圖像,并且熒光信號在可見光譜區。當對組織樣本進行更深的成像時,熒光散射更多,圖像變得模糊。對多層組織進行成像也非常耗時。使用一次照射整個組織平面的寬場成像可以加快這一過程,但這種方法的分辨率不如逐點掃描的分辨率高。


麻省理工學院團隊希望開發一種方法,使他們能夠同時對大型組織樣本進行成像,同時仍保持逐點掃描的高分辨率。為了實現這一目標,他們想出了一種方法來操縱照射到樣品上的光。他們使用一種寬視野顯微鏡,將光平面照射到組織上,但修改光的振幅,以便他們可以在不同的時間打開或關閉每個像素。一些像素亮了,而附近的像素保持暗淡,這種預先設計的圖案可以在組織散射的光中檢測到。


通過這種調制打開或關閉每個像素,如果關閉一些點,就會在每個像素周圍創造空間,就可以知道每個點發生了什么。


雙光子成像顯微鏡,可以快速獲得大腦血管和神經元的高分辨率圖像


研究人員獲得原始圖像后,他們使用他們創建的計算機算法重建每個像素。


通過控制光的形狀,并從組織中得到響應。從這些響應中,可以解決組織具有什么樣的散射。當我們從原始圖像進行重建時,我們可以獲得很多原始圖像中看不到的信息。


使用這種技術,研究人員表明他們可以在肌肉切片中成像約 200 微米,在老鼠的大腦中成像約 300 微米。Yildirim 說,這大約是沒有這種模式化激發和計算重建時所能達到的深度的兩倍。該技術還可以比傳統的雙光子顯微鏡快 100 到 1,000 倍的速度生成圖像。


大腦結構


這種類型的成像應該能讓研究人員更快地獲得大腦中神經元以及血管等其他結構的高分辨率圖像。對小鼠大腦中的血管進行成像對于了解更多關于血流如何受到阿爾茨海默氏癥等神經退行性疾病的影響特別有用。


所有關于血流或血管結構形態的研究都是基于雙光子或三光子點掃描系統,所以它們很慢,通過使用這項技術,可以真正對血流和血管結構進行高速體積成像,以了解血流的變化。


該技術還可以通過添加電壓敏感的熒光染料或熒光鈣探針來測量神經元活動,這些探針在神經元興奮時會發光。它也可用于分析其他類型的組織,包括腫瘤,可用于幫助確定腫瘤的邊緣。


該研究由美國國立衛生研究院資助,包括國家生物醫學成像和生物工程研究所 P41 計劃和 NIBIB 獨立之路獎、濱松公司、三星先進技術學院、新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟(SMART)、哈佛大學高級成像中心和約翰哈佛杰出科學獎學金計劃。


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