新型全息显微镜，可提供神经网络的高分辨率3D成像
2020-11-11
韩国科学家领导的一个团队开发了一种新型全息显微镜。据说，新的显微镜可以“看穿”完整的头骨，并能够在不移除头骨的情况下，对活体小鼠大脑内的神经网络进行高分辨率3D成像。
为了使用光仔细检查活体的内部特征，之前科学家需要向样品提供足够的光能，然后精确测量从目标组织反射的信号。然而，在活体组织中，当光照射细胞时，往往会出现多重散射效应和严重的像差，这使得难以获得清晰的图像。
一种新型全息显微镜可以通过其头骨对小鼠大脑进行成像在没有去除头骨的情况下观察到活老鼠大脑中的神经网络。光会在活组织等复杂结构中反复散射，这会导致光子在穿过组织时多次不规则地改变其方向。由于这个过程，光携带的大部分图像数据被损坏。通过校正从被检物体反射的光的波前畸变，即使只有极少量的反射光，也可以看到组织内部相对较深的特征。然而，声明说，这种校正过程受到各种散射效应的阻碍。因此，降低多重散射波的比例并提高它以获得高分辨率的深层组织图像至关重要。
研究小组能够定量分析光和物质的相互作用，这使他们能够进一步开发早期的显微镜。根据最近的一项研究，成功开发了一种超深度、三维时间分辨全息显微镜，可以比以往更深入地观察组织。具体来说，研究人员设计了一种方法，利用即使从不同角度输入光时它们具有相似的反射波形这一事实，也可以优先选择单散射波。通过使用复杂的算法和分析介质的本征模式（将光能传递到介质中的独特波）的数值运算，可以找到最大化相长干涉（当相同相位的波重叠时发生的干涉）的共振模式。在光波阵面之间，这种新型显微镜将注意力集中在神经纤维上的光能比以前高出 80 倍以上，同时选择性地去除不必要的信号。
“当我们第一次观察到复杂介质的光学共振时，我们的工作受到了学术界的极大关注，”开发了全息显微镜基础的 KIM Moonseok 教授和 JO Yonghyeon 博士说。从观察小鼠颅骨下神经网络的基本原理到实际应用，我们通过结合物理学、生命和脑科学领域人才的努力，开辟了脑神经影像融合技术的新途径。”
样品引起的光学像差的补偿对于可视化生物组织深处的微观结构至关重要。然而，强多重散射对识别和校正组织引起的像差构成了基本限制。在这里，我们介绍了一种称为降维自适应光学显微镜 (DReAM) 的无标记深层组织成像技术，以选择性地衰减多重散射。我们建立了一个理论框架，其中时间门控反射矩阵的降维可以衰减不相关的多次散射，同时保留具有强波相关性的单散射信号，而与样品引起的像差无关。我们使用可见波长的探测光束通过完整的头骨在体内进行了小鼠脑成像。
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来源：贤集网
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