日前，美國加州大學(xué)圣克魯斯分校團隊開發(fā)出一種新型顯微技術(shù)，突破了快速3D成像的極限。他們利用25臺相機組成高速顯微鏡，能一次性捕捉整個小型生物體內(nèi)部的實時細(xì)胞動態(tài)過程。該技術(shù)為發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和運動研究等領(lǐng)域提供了前所未有的觀察手段，將推動生物醫(yī)學(xué)研究向更高維度和智能化方向發(fā)展。相關(guān)研究成果以“High-speed 3D imaging with a 25-camera multifocus microscope”為題，發(fā)表在最新一期《OPTICA》期刊上。

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新型顯微鏡將衍射光學(xué)器件與25個微型相機（如圖）相結(jié)合，可同時在多個深度進行成像。

傳統(tǒng)顯微鏡在獲取3D圖像時，通常依賴機械聚焦或逐層掃描不同深度，這一過程速度較慢，無法捕捉快速發(fā)生的生物動態(tài)，還容易造成圖像畸變或信息丟失。為解決這一問題，團隊開發(fā)了名為M25的新型顯微鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于多焦點顯微鏡技術(shù)進行擴展，利用25個同步工作的相機，同時記錄來自不同焦平面的圖像，從而實現(xiàn)無需掃描的高速3D成像。

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使用 25 平面相機陣列進行像差校正重新聚焦

研究表明，新顯微鏡可在高達(dá)180×180×50微米的3D空間內(nèi)，以每秒超過100個體積幀率采集25個焦平面的數(shù)據(jù)，達(dá)到實時成像水平。系統(tǒng)核心是一塊特制的衍射光學(xué)元件，它能將入射光分割并引導(dǎo)至25個相機，每個相機對應(yīng)一個獨立且精確控制的焦平面。為了克服傳統(tǒng)色散校正組件體積大、難以擴展的問題，團隊設(shè)計了集成在各相機鏡頭前的定制閃耀光柵，有效校正了多焦點光柵引起的色散效應(yīng)。

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M25的色散校正架構(gòu)

M25系統(tǒng)的關(guān)鍵創(chuàng)新在于用輕巧緊湊的定制光柵，替代了傳統(tǒng)笨重的棱鏡系統(tǒng)。這種設(shè)計使其特別適用于觀察胚胎發(fā)育或者自由運動的小型模式生物。

驗證中，團隊對包括秀麗隱桿線蟲和黑腹果蠅在內(nèi)的多種活體模式生物進行了實時3D成像。過去，科學(xué)家在觀察線蟲運動時往往只能看清部分身體結(jié)構(gòu)，而M25則能全程追蹤整條線蟲在3D空間中的自然運動軌跡。這為解析生物神經(jīng)系統(tǒng)提供了全新工具，進一步還可探究基因突變、疾病狀態(tài)或藥物干預(yù)對動物行為的影響。

M25系統(tǒng)可直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)商用顯微鏡的側(cè)端口上，除特制的衍射光學(xué)元件外，無需額外專用硬件，顯著降低了推廣的技術(shù)門檻。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.563617