一種新穎的超快3D成像技術(shù)

EventLFM

高速體積成像是研究動(dòng)態(tài)生物過(guò)程不可或缺的工具。傳統(tǒng)的基于掃描的3D成像技術(shù)，如共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡和光片顯微鏡，具有很高的空間分辨率。

然而，它們的數(shù)據(jù)采集速度受到光束掃描需要的限制，在時(shí)間分辨率和空間帶寬乘積(SBP)之間存在固有的權(quán)衡問(wèn)題，空間帶寬乘積是以三維視場(chǎng)(FOV)與空間分辨率之比來(lái)衡量的。

通過(guò)在傅立葉域記錄光場(chǎng)信息，傅立葉光場(chǎng)顯微鏡(LFM)可在整個(gè)恢復(fù)體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高空間分辨率。然而，傳統(tǒng) CMOS 相機(jī)的同步讀出限制構(gòu)成了一個(gè)瓶頸，將現(xiàn)有的單鏡頭三維寬視場(chǎng)技術(shù)限制在全幀分辨率 100 Hz 以下。

這種限制阻礙了它們?cè)诓蹲娇赡艹^(guò)千赫茲(kHz)的超快動(dòng)態(tài)生物過(guò)程(如哺乳動(dòng)物大腦中的電壓信號(hào)、血流動(dòng)態(tài)和肌肉組織收縮)中的應(yīng)用，從而留下了有待彌補(bǔ)的巨大技術(shù)差距。

發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light：Science & Applications)上的一篇新論文中，波士頓大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系Lei Tian教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)及其合作者開(kāi)發(fā)出了一種新穎的超快單次三維成像技術(shù)——EventLFM，該技術(shù)將事件相機(jī)集成到傅立葉低頻成像系統(tǒng)中，以千赫速度促進(jìn)容積成像。

研究小組展示了 EventLFM 在 1 kHz 時(shí)間分辨率下重建快速移動(dòng)三維物體復(fù)雜動(dòng)態(tài)的能力。通過(guò)受控照明實(shí)驗(yàn)，他們展示了該技術(shù)對(duì)脈沖寬度短至 1 毫秒的高頻三維閃爍物體進(jìn)行成像的能力。

此外，該技術(shù)還能有效捕捉散射組織內(nèi)的快速動(dòng)態(tài)信號(hào)，通過(guò)對(duì)小鼠大腦切片中的神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行成像，模擬了一系列 DMD 模式，以千赫速率誘導(dǎo)出獨(dú)特的時(shí)空足跡。

該團(tuán)隊(duì)還成功地在三維空間內(nèi)對(duì)自由移動(dòng)的秀麗隱桿線蟲體內(nèi)表達(dá)GFP的神經(jīng)元進(jìn)行了成像和跟蹤，幀頻達(dá)到500赫茲。深度學(xué)習(xí)重建網(wǎng)絡(luò)與 EventLFM 的整合大大提高了成像質(zhì)量，增強(qiáng)了三維分辨率。

這項(xiàng)報(bào)告工作為研究人員提供了一種以千赫速度觀察三維動(dòng)態(tài)生物過(guò)程的新工具。

研究人員說(shuō)：“我們?cè)O(shè)計(jì)的 EventLFM 將事件相機(jī)與傅立葉 LFM 系統(tǒng)集成在一起，從而能夠以千赫速度對(duì)復(fù)雜、快速的生物過(guò)程進(jìn)行成像，并具有較高的三維分辨率?！?/p>

他們補(bǔ)充說(shuō)：“應(yīng)該指出的是，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所顯示的千赫茲幀速率是由累積時(shí)間決定的，而累積時(shí)間可在后處理步驟中調(diào)整，不會(huì)影響數(shù)據(jù)捕獲速度。通過(guò)進(jìn)一步縮短累積時(shí)間，我們可以增強(qiáng)系統(tǒng)捕捉超過(guò)千赫茲速率的動(dòng)態(tài)過(guò)程的能力?！?/p>

科學(xué)家們預(yù)測(cè)：“我們重點(diǎn)介紹了 EventLFM 對(duì)散射小鼠腦組織中閃爍神經(jīng)元信號(hào)的成像能力，以及對(duì)自由移動(dòng)的秀麗隱桿線蟲中 GFP 標(biāo)記神經(jīng)元的追蹤能力。鑒于其簡(jiǎn)單性、超快三維成像能力以及在散射環(huán)境中的穩(wěn)健性，EventLFM 有潛力成為各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中可視化復(fù)雜、動(dòng)態(tài)三維生物現(xiàn)象的寶貴工具。”

審核編輯 黃宇