濱松SLM雙光子熒光顯微分辨率技術(shù)在腦神經(jīng)生物測(cè)量的應(yīng)用
 

濱松公司利用多年積累的自主光控技術(shù)和空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SLM *1），確立了雙光子激發(fā)熒光顯微鏡的空間分辨率增強(qiáng)技術(shù)。

目前腦神經(jīng)科學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域里，使用SLM的雙光子激發(fā)熒光顯微鏡得到廣泛利用且已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，利用上述空間分辨率增強(qiáng)技術(shù)，可方便地提高顯微鏡的分辨率，能對(duì)生物樣品的深部進(jìn)行精準(zhǔn)化測(cè)量。其結(jié)果是能夠以更高的精度觀察到細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的狀態(tài)變化，有助于推動(dòng)腦功能研究和腎臟等疾病的病因分析等方面的應(yīng)用。

本雙光子顯微鏡外觀

本研究成果發(fā)表在神經(jīng)科學(xué)學(xué)術(shù)期刊“Frontiers in Neuroscience（前沿神經(jīng)科學(xué)）” 4月20日（星期三）電子版上。是同濱松醫(yī)科大學(xué)的生物光子學(xué)創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)室和病毒與寄生蟲(chóng)學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室合作完成的。※1 SLM：用液晶控制激光等入射光的波前，以調(diào)整反射光的波前形狀，對(duì)入射光的像差和畸變進(jìn)行 校正等，是可自由控制激光的照射模式的光學(xué)設(shè)備。

熒光顯微鏡的工作原理

光照射在以熒光色素等標(biāo)記過(guò)樣本時(shí)所發(fā)出的光被稱(chēng)為熒光。利用這種現(xiàn)象，可用激光照射特定位置使之發(fā)光，并用顯微鏡的光電檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。

研究背景

在腦神經(jīng)科學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域里，往往需要對(duì)大腦等有厚度生物樣本的深層部位進(jìn)行觀測(cè)。雙光子激發(fā)熒光顯微鏡是利用在生物體內(nèi)具有良好穿透性的近紅外光，它與傳統(tǒng)的可見(jiàn)光熒光顯微鏡相比，能使激光到達(dá)樣本的更深位置。但另一方面，深部樣本會(huì)由于透鏡特性和樣品不同，產(chǎn)生所謂的像差（*2）而導(dǎo)致分辨率顯著降低，因此我們?cè)趥鹘y(tǒng)的雙光子激發(fā)熒光顯微鏡中搭載了利用輸入相息圖可對(duì)像差進(jìn)行校正的SLM，目的是推動(dòng)雙光子激發(fā)熒光顯微鏡的進(jìn)一步實(shí)用化。

我們基于大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)等希望提高分辨率以能更精細(xì)地觀察樣本深部的需求，與濱松醫(yī)科大學(xué)合作，一起開(kāi)發(fā)提高分辨率的技術(shù)。※2像差：屬于光的波面的畸變。如果存在像差，會(huì)導(dǎo)致聚光性變差，導(dǎo)致顯微鏡的分辨率和激光加工效率等變低。通過(guò)SLM調(diào)制波前，可以實(shí)現(xiàn)消除像差的目的。

SLM的像差校正原理 

將用于校正像差的相息圖通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入到SLM，入射到SLM的激光通過(guò)相息圖得到校正后反射。在雙光子激發(fā)熒光顯微鏡中，用校正像差后的激光照射樣品可以得到更清晰的特定位置成像。

研究成果概要

此前我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了輸入相息圖到SLM的像差校正技術(shù)，能清晰觀察到距離生物樣本表面約200微米（以下簡(jiǎn)稱(chēng)μm，μ為百萬(wàn)分之一）深的組織。 

本次我們基于多年積累的自主光控技術(shù)，通過(guò)對(duì)相息圖圖案環(huán)數(shù)量和形狀等的分析，成功找到了能夠?qū)崿F(xiàn)更高分辨率的最佳圖案。同時(shí)搭配能控制偏光（*3）的光學(xué)元件，進(jìn)一步提高了分辨率。本次研究通過(guò)增加1個(gè)光學(xué)元件以及輸入最佳的相息圖圖案，雙管齊下，在不大幅修改顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的前提下，提高分辨率約20%。 

通過(guò)應(yīng)用本次研究成果，可以推進(jìn)腦神經(jīng)科學(xué)和生物學(xué)等廣泛領(lǐng)域面向?qū)嵱没�的進(jìn)程。而提高搭載SLM雙光子激發(fā)熒光顯微鏡的分辨率，可對(duì)生物樣品的深部進(jìn)行清晰、高分辨和更精準(zhǔn)的測(cè)量。結(jié)果表明，由于能夠以高精度觀察細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器狀態(tài)的變化，有望在腦功能研究和腎臟等疾病的病因查明等方面得到進(jìn)一步的應(yīng)用。此外，也期待其應(yīng)用于未來(lái)的治療藥物的研發(fā)。 

今后，我們將繼續(xù)進(jìn)行研發(fā)，以進(jìn)一步提高分辨率并推進(jìn)實(shí)用化。※3 偏光：是指偏向特定方向振動(dòng)的光，或其狀態(tài)。

傳統(tǒng)雙光子激發(fā)熒光顯微鏡（左）和搭載SLM雙光子激發(fā)熒光顯微鏡（右）的測(cè)量實(shí)例
 

圖例為測(cè)量球形熒光納米金剛石樣品表面約50um深度的測(cè)量結(jié)果。 圖例為離表面約50um深度的球形熒光納米金剛石樣品的測(cè)量結(jié)果。 利用本次搭載SLM雙光子激發(fā)熒光顯微鏡，可以實(shí)現(xiàn)比以往更高的分辨率。