當(dāng)一只實(shí)驗(yàn)小鼠看到貓的圖像，它的大腦將如何運(yùn)作？這條新信息在包含數(shù)千萬個(gè)神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中又如何傳輸？怎樣利用光學(xué)顯微鏡窺探其中的奧秘？這是當(dāng)代生命科學(xué)研究對光學(xué)顯微成像技術(shù)提出的新挑戰(zhàn)。

日前，中國科學(xué)院西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超分辨成像團(tuán)隊(duì)研制成功雙光子激發(fā)激光掃描實(shí)時(shí)立體顯微鏡。“它可以讓我們像觀看立體電影一樣實(shí)時(shí)地觀測動態(tài)的三維微觀世界，無需光切片，無需耗時(shí)的三維圖像重構(gòu)。”團(tuán)隊(duì)核心成員楊延龍博士如是說。原來，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微技術(shù)遇到了兩個(gè)問題。一個(gè)問題是成像景深很小，一次只能看到樣品中薄薄的一層，無法直接看到樣品的三維分布。另一個(gè)更困難的問題是：想要模仿人類通過雙目視覺感知周圍的三維世界，就需要把貝塞爾光束沿兩個(gè)方向掃描，如果這兩個(gè)方向成像的時(shí)間延遲過大，轉(zhuǎn)瞬即逝的熒光信號就無法被準(zhǔn)確的捕獲和定位。如雙光子激發(fā)激光掃描熒光顯微技術(shù)，自20世紀(jì)90年代提出后被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)成像等領(lǐng)域，“簡單來說，傳統(tǒng)方法需要利用光切片原理一層一層的去掃描，要對樣品完成三維成像，通常需要數(shù)十層乃至上百層的二維圖像進(jìn)行疊加重建得到。整個(gè)三維成像過程耗時(shí)至少數(shù)分鐘，速度很慢，因此無法滿足活體生物的動態(tài)三維成像。”楊延龍博士解釋說。

西安光機(jī)所超分辨成像團(tuán)隊(duì)在姚保利研究員和葉彤研究員的帶領(lǐng)下，采用了一種拉長的聚焦激光束——貝塞爾光束來完成掃描，通過對光束的控制，可以不做光切片，一次性的將厚的三維樣品清晰成像。西安光機(jī)所的研究人員攻克難關(guān)，設(shè)計(jì)了復(fù)雜的激光掃描裝置，實(shí)現(xiàn)了對貝塞爾光束的三自由度快速掃描，可在毫秒（千分之一秒）量級進(jìn)行雙視角切換。

這意味著什么呢？通俗的說，假如一只蜜蜂從我們前面飛過，我們需要兩只眼睛同時(shí)看到它，大腦才能準(zhǔn)確感知它的位置，如果左右兩只眼睛交替睜開閉合，大腦就無法準(zhǔn)確地判斷蜜蜂的位置。而新的技術(shù)手段在“毫秒級”的切換使得雙視角成像可在瞬間完成，從而可以實(shí)時(shí)的捕獲樣品的三維動態(tài)變化。

該技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了基于雙視角激光掃描的實(shí)時(shí)立體顯微成像和顯示系統(tǒng)，其三維成像速度比傳統(tǒng)的逐點(diǎn)掃描方式提高了一到兩個(gè)數(shù)量級。也就是說，以前數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘的成像過程，如今幾秒就可完成，該雙光子立體顯微成像系統(tǒng)為活體生物的三維實(shí)時(shí)成像和顯示提供了一種新的觀測工具，可用于觀測轉(zhuǎn)瞬即逝的神經(jīng)信號在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的傳遞。據(jù)了解這項(xiàng)研究先后在中科院“百人計(jì)劃”和國家自然科學(xué)基金的支持下，從基本原理驗(yàn)證，關(guān)鍵技術(shù)突破，到原理樣機(jī)完成，經(jīng)歷了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用集成的各個(gè)環(huán)節(jié)。

目前，課題組正在與國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開展生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的合作研究，期望盡快將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于生物活體三維快速成像和顯示領(lǐng)域。