像差問題一直困擾著光學領(lǐng)域的工作者。像差會使光波前發(fā)生形變，不僅降低成像的信噪比和分辨率，使得很多時候我們只能“霧里看花”，更甚者，產(chǎn)生贗像，或無法獲得有意義的圖像。像差問題對雙光子成像的影響尤為嚴重，因為在那里，熒光信號對入射光強度的依賴是平方關(guān)系，一旦入射光波前形變，不僅聚焦強度大幅下降，成像分辨率也急劇惡化。因此，如何解決像差問題，實現(xiàn)活體，例如小鼠大腦皮層，深層區(qū)域的高質(zhì)量成像成為光學成像發(fā)展中最具挑戰(zhàn)性的問題之一。

美國Howard Hughes Medical Institute (霍華德·休斯醫(yī)學研究所)在Janelia Farm Research Campus的吉娜博士小組與來自中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室的王琛博士最近成功將一種新的自適應(yīng)光學的方法和雙光子顯微鏡結(jié)合，研制出一種新的自適應(yīng)光學雙光子熒光顯微鏡。

通過校正活體小鼠大腦的像差，在視覺皮層的不同深度處均獲得了提高數(shù)倍的成像分辨率和信號強度，大大改進了成像質(zhì)量，使得原來在活體鼠腦中不可見或者模糊的細節(jié)變得清晰可見，她們成功將該方法應(yīng)用于老鼠視覺皮層第五層(約500µm)的形貌結(jié)構(gòu)成像和鈣離子功能成像。這一新的自適應(yīng)光學方法，首次使得在活體小鼠深層區(qū)域成像中獲得近衍射極限的成像分辨率成為現(xiàn)實。這一成果發(fā)表在最新一期的Nature Methods (《自然·方法》)雜志上。

在該自適應(yīng)光學雙光子熒光顯微鏡中，她們將空間光位相調(diào)制器光學共軛到顯微物鏡的后焦平面，通過位相調(diào)制器將入射光分成若干子區(qū)域，每一塊子區(qū)域的波前都可以被獨立控制。同時，她們用數(shù)字微陣列光處理器，以不同的頻率同時調(diào)制其中一半子區(qū)域的入射光強度，以另一半子區(qū)域作為“參考波前”。來自所有子區(qū)域光束會在焦點處會聚干涉，通過監(jiān)測焦點激發(fā)的雙光子信號隨時間的變化情況，并進行傅里葉變換分析，可以“分解”得到被調(diào)制的每一塊子區(qū)域的“光線”的貢獻信息，從而可以實現(xiàn)對一半子區(qū)域波前的并行測量。對另一半子區(qū)域重復(fù)這一測量過程，從而獲得整個入射波前的信息并進行校正。

該方法耗時很短，通常約1~3分鐘左右即可完成像差的測量和校正，無需復(fù)雜的計算，適用于任何標記密度和標記類型的樣品。更重要的是，得到的像差校正圖案可以用于提高較大視場范圍內(nèi)的成像質(zhì)量。該方法無疑為在體研究小鼠大腦皮層深層區(qū)域的生物、醫(yī)學問題提供了可行性方案。

原文摘要：

Multiplexed aberration measurement for deep tissue imaging in vivo

Chen Wang, Rui Liu, Daniel E Milkie, Wenzhi Sun, Zhongchao Tan, Aaron Kerlin, Tsai-Wen Chen, Douglas S Kim & Na Ji

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