Лазерный сканирующий стереомикроскоп, способный создавать 3D-изображения в реальном времени
Несколько дней назад команда специалистов Государственной ключевой лаборатории переходной оптики и фотонных технологий Сианьского института оптики и механики Китайской академии наук успешно разработала лазерный сканирующий стереомикроскоп реального времени с двухфотонным возбуждением. .
Когда лабораторная мышь видит изображение кошки, как работает ее мозг? Как эта новая информация передается в нейронной сети, содержащей десятки миллионов нейронов? Как использовать оптический микроскоп, чтобы заглянуть в тайну? Современные исследования в области биологических наук ставят новые задачи перед технологиями визуализации в оптической микроскопии.
Несколько дней назад команда специалистов Государственной ключевой лаборатории переходной оптики и фотонных технологий Сианьского института оптики и механики Китайской академии наук успешно разработала лазерный сканирующий стереомикроскоп реального времени с двухфотонным возбуждением. . «Это позволяет нам наблюдать за динамичным трехмерным микроскопическим миром в реальном времени, как при просмотре трехмерного фильма, без световых срезов и трудоемкой реконструкции трехмерного изображения». — сказал доктор Ян Яньлун, один из основных членов команды. Оказалось, что у обычной световой микроскопии есть две проблемы. Одна из проблем заключается в том, что глубина резкости изображения очень мала, и одновременно можно увидеть только тонкий слой образца, а трехмерное распределение образца невозможно увидеть напрямую. Еще одна более сложная проблема: чтобы имитировать человеческое восприятие трехмерного мира посредством бинокулярного зрения, луч Бесселя необходимо сканировать в двух направлениях. Если временная задержка изображения в этих двух направлениях слишком велика, она будет мимолетной. Флуоресцентный сигнал не может быть точно захвачен и позиционирован. Например, лазерная сканирующая флуоресцентная микроскопия с двухфотонным возбуждением широко используется в нейровизуализации и других областях с тех пор, как она была предложена в 1990-х годах. Для создания 3D-изображения обычно требуется наложение и реконструкция десятков или даже сотен слоев 2D-изображений. Весь процесс 3D-изображения занимает не менее нескольких минут, а скорость очень низкая, поэтому он не может соответствовать динамическому 3D-изображению живых организмов», — объяснил д-р Ян Яньлун.
Команда специалистов Сианьского института оптики и механики, занимающихся визуализацией сверхвысокого разрешения, под руководством исследователей Баоли Яо и Тонг Йе использовала удлиненный сфокусированный лазерный луч — луч Бесселя для завершения сканирования. Нарезка, четкое изображение толстых 3D-образцов за один раз. Исследователи из Сианьского института оптики и механики преодолели трудности и разработали сложное лазерное сканирующее устройство, которое реализует быстрое сканирование бесселевых лучей с тремя степенями свободы и может переключаться между двумя углами обзора порядка миллисекунд (тысячных долей секунды). Второй).
Что это значит? С точки зрения непрофессионала, если пчела пролетает мимо нас, нам нужны два глаза, чтобы видеть ее одновременно, чтобы мозг мог точно определить ее положение. Если левый и правый глаза открываются и закрываются попеременно, мозг не сможет точно определить положение пчелы. Переключение новых технических средств на «миллисекундном уровне» позволяет мгновенно выполнить двухракурсную визуализацию, чтобы трехмерные динамические изменения образца можно было фиксировать в режиме реального времени.
Эта технология впервые реализует стереомикроскопическую систему визуализации и отображения в реальном времени, основанную на лазерном сканировании с двойным обзором, а ее скорость трехмерного изображения на один-два порядка выше, чем при традиционном методе точечного сканирования. Другими словами, процесс визуализации, который раньше занимал от нескольких минут до десятков минут, теперь может быть завершен за несколько секунд. Эта система двухфотонной стереомикроскопической визуализации представляет собой новый инструмент наблюдения для трехмерного изображения и отображения живых организмов в реальном времени, который можно использовать для наблюдения за прохождением переходных нейронных сигналов через нейронные сети. Понятно, что это исследование было поддержано «Программой ста талантов» Академии наук Китая и Национальным фондом естественных наук Китая. От проверки основных принципов, прорывов в ключевых технологиях до создания принципиальных прототипов он прошел через различные этапы от фундаментальных исследований до интеграции приложений.
В настоящее время исследовательская группа проводит совместные исследования биомедицинских приложений с соответствующими научно-исследовательскими учреждениями в стране и за рубежом и надеется как можно скорее применить эту технологию в области трехмерной быстрой визуализации и отображения живых организмов.
