深圳先進院在雙光子顯微成像技術研發方面取得系列進展
近日，中國科學院深圳先進技術研究院鄭煒研究員團隊在高分辨雙光子顯微成像技術研發方面取得重要進展，接連在美國光學學會主辦的知名期刊Biomedical Optics Express和Optics Express上發表兩項最新研究成果。
第一項工作是與華中科技大學費鵬教授團隊合作開發了基于多幀重構提高雙光子成像軸向分辨率的方法。與傳統的雙光子成像相比，該方法對成像軸向分辨率提升超過3倍，對信噪比提升也超過3倍。成果以Axial resolution improvement of two-photon microscopy by multi-frame reconstruction and adaptive optics為題發表在Biomedical Optics Express期刊上。論文第一作者是葉世蔚博士。
雙光子顯微技術以其深層穿透和天然層析能力在生物成像中發揮著重要作用，尤其是大腦神經環路成像。然而傳統雙光子成像技術的軸向分辨率一般是幾個微米甚至更差，遠大于亞微米尺度的橫向分辨率，不利于分辨三維分布的一些精細結構，比如神經環路上沿軸向分布的軸突、樹突和突觸等結構。
在本項研究中，葉世蔚博士成功地將多幀重構算法用于雙光子成像，同時結合自主研發的自適應光學模塊和相位補償方法，實現了雙光子成像軸向分辨率3倍提升，信噪比提升也超過3倍。利用該系統，研究人員對小鼠離體腦片和活體大腦進行了成像研究，成功觀測到一般雙光子成像無法分辨的軸向細節，包括胞體的精細連接、更加清晰的軸突邊界和小膠質突起等；同時也對敗血癥小鼠模型進行實時追蹤，清晰觀察到了小膠質細胞的三維形態變化。該工作提供了一種三維高分辨的成像技術，為進一步了解腦機理和診治重大腦疾病提供重要的科學研究手段。
第二項工作是開發了新型自適應光學方法用于提高雙光子成像質量。該方法使1mm左右的深層腦組織成像時，成像分辨率提升1倍，信噪比提升5倍，成果以Adaptive optics via pupil ring segmentation improves spherical aberration correction for two-photon imaging of optically cleared tissues為題發表在Optics Express期刊上。論文第一作者是高玉峰，通訊作者是李慧博士。
雙光子顯微結合組織光透明技術能夠深層樣品進行亞微米級的熒光成像，這對研究神經環路、連接和功能有非常重要的意義。但是組織光透明劑處理后的樣品與物鏡的標準浸潤介質的折射率不匹配，這會引入球差并極大降低雙光子的成像分辨率和熒光信號的強度。針對該問題，研究團隊提出了新型環形矯正的自適應光學方法來補償折射率不匹配，從而降低球差提高成像質量。
該方法使深層樣品（1 mm）成像時的橫向分辨率從1.27 μm 提高到 0.75 μm，縱向分辨率從4 μm提高到2 μm，熒光信號強度提高了5倍以上。這些參數的提高，帶動了雙光子成像效果的提升，使研究人員能夠觀察到光透明處理的腦片1 mm深度下的樹突棘結構。該工作極大提高了雙光子在光透明樣品中的成像質量，為開展腦科學和相關腦疾病的研究提供了重要的成像工具。
兩項研究得到了科技部重點研發計劃、國自然重大科研儀器研制項目和國自然重大研究計劃等項目的支持。
圖1 對Thy1-GFP-M小鼠腦片成像結果比較。四個比較面均為XZ面，TPM: 雙光子成像，AO MR-TPM: 基于自適應光學和多幀重構的雙光子成像, Scale bar: 10 μm。
圖2 用環形矯正方法對光透明處理的Thy1-GFP-M小鼠腦片成像結果。左側，x-y平面上球差矯正前后對比；右側，x-z平面上球差矯正前后對比。Scale bar: 20 μm。
