來(lái)源：宇宙與科學(xué)百家號(hào)
韓國(guó)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型全息顯微鏡。據(jù)說(shuō)，新的顯微鏡可以“看穿”完整的頭骨，并能夠在不移除頭骨的情況下，對(duì)活體小鼠大腦內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高分辨率3D成像。為了使用光仔細(xì)檢查活體的內(nèi)部特征，之前科學(xué)家需要向樣品提供足夠的光能，然后精確測(cè)量從目標(biāo)組織反射的信號(hào)。然而，在活體組織中，當(dāng)光照射細(xì)胞時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)多重散射效應(yīng)和嚴(yán)重的像差，這使得難以獲得清晰的圖像。
在復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如活組織）中，光經(jīng)歷多次散射，這導(dǎo)致光子在穿過(guò)組織時(shí)多次隨機(jī)改變方向。由于這個(gè)過(guò)程，光攜帶的許多圖像信息被破壞。然而，即使是非常少量的反射光，也可以通過(guò)校正從待觀察目標(biāo)反射的光的波前失真來(lái)觀察位于組織內(nèi)相對(duì)較深的特征。然而，上述多次散射效應(yīng)干擾了該校正過(guò)程。因此，為了獲得高分辨率的深部組織圖像，重要的是去除多個(gè)散射波并增加單個(gè)散射波的比率。
根據(jù)入射角的反射信號(hào)特性，如果物體較小或具有線性結(jié)構(gòu)，即使入射角改變，單散射波的反射信號(hào)波形也保持相似。多個(gè)散射波的反射信號(hào)的波形即使在入射角稍微改變的情況下也沒(méi)有相似性地改變。使用這些波陣面間特性，可以將單個(gè)散射分量和多個(gè)散射分量彼此分離。
兩年前科學(xué)家們就開(kāi)發(fā)了高速時(shí)間分辨全息顯微鏡，可以消除多次散射，同時(shí)測(cè)量光的振幅和相位。他們用這臺(tái)顯微鏡觀察了活魚(yú)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而沒(méi)有進(jìn)行切口手術(shù)。然而，在具有比魚(yú)更厚的頭骨的小鼠的情況下，由于光穿過(guò)骨骼結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的光失真和多次散射，不去除或減薄頭骨就不可能獲得大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像。
之后韓國(guó)科學(xué)家們?cè)O(shè)法定量分析了光和物質(zhì)之間的相互作用，這使他們能夠進(jìn)一步改進(jìn)之前的顯微鏡。在近期的一項(xiàng)研究中，他們報(bào)告了一種超深度三維時(shí)間分辨全息顯微鏡的成功開(kāi)發(fā)，該顯微鏡允許觀察比以往任何時(shí)候都更深的組織。
具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種方法，通過(guò)利用即使從不同角度輸入光也具有相似反射波形的事實(shí)，優(yōu)先選擇單個(gè)散射波。這是通過(guò)復(fù)雜算法和分析介質(zhì)本征模（將光能傳遞到介質(zhì)中的獨(dú)特波）的數(shù)值運(yùn)算完成的，這允許找到Z大化光波陣面之間的相長(zhǎng)干涉（相同相位的波重疊時(shí)發(fā)生的干涉）的共振模式。這使得新的顯微鏡能夠?qū)?/span>80倍以上的光能聚焦在神經(jīng)纖維上，同時(shí)選擇性地去除不必要的信號(hào)。這允許單個(gè)散射波與多個(gè)散射波的比率增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
科學(xué)家們通過(guò)觀察小鼠大腦繼續(xù)演示這項(xiàng)新技術(shù)。該顯微鏡能夠校正波前失真，即使在以前使用現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法達(dá)到的深度。新顯微鏡成功地獲得了頭骨下小鼠大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高分辨率圖像。這都是在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)的，不需要移除小鼠頭骨，也不需要熒光標(biāo)記。
“當(dāng)我們頭次觀察到復(fù)雜介質(zhì)的光學(xué)共振時(shí)，我們的工作受到了學(xué)術(shù)界的很大關(guān)注。從觀察老鼠頭骨下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理到實(shí)際應(yīng)用，我們結(jié)合物理學(xué)、生命和腦科學(xué)領(lǐng)域的人才的努力，為腦神經(jīng)成像融合技術(shù)開(kāi)辟了一條新的道路。”科學(xué)家們解釋說(shuō)。
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