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一種新的深層組織成像技術 使用近紅外雷射散射光穿透生物組織

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2021年7月14日

圖、一種新的深層組織成像技術 使用近紅外雷射散射光穿透生物組織

長期以來,顯微鏡學家一直在尋找一種方法可以即時對活體對象進行高質量的深層組織成像(deep-tissue imaging)技術。然而,複雜生物系統的內部運作而不得不在圖像質量或速度之間做出選擇。

最近,美國 John Harvard Distinguished Science Fellow 傑出科學家 Dushan N. Wadduwage 與麻省理工學院的一個團隊,詳細介紹了一種新技術於《Science Advances 科學進展》論文報告。該團隊提出了一種新過程,該過程使用計算成像(computational imaging)來獲得高分辨率圖像,該過程比使用複雜算法和機器學習的其他先進技術快 100 到 1,000 倍,也就是可以將需要數月的過程縮短為幾天內完成。

該系統被稱為具有激發模式的去散射(De-scattering with Excitation Patterning 或 DEEP),被認為是同類中的第一個,並且有朝一日可能會導致對複雜過程(例如大腦中的過程)的功能產生新的理解,因為 DEEP 可以捕獲圖像到其他顯微鏡所不能捕獲到。

因為,新系統實際上有可能加快他們可以成像的速度以及他們可以做到的速度,比如神經元激發時會發生什麼或者信號如何在大腦中移動。Wadduwage 表示,因為它在技術上速度更快,您可以一次對更大的區域進行成像,而不僅僅是像使用較慢的成像系統那樣的小視野。這對於神經科學家和其他生物學家來說非常重要,可以實際獲得更好的統計數據以及了解被成像區域周圍發生的情況。

該系統的工作原理與許多其他動物成像技術一樣,使用近紅外雷射光(Near-infrared laser light)散射光(scatters the light)用於深入穿透生物組織。這種散射光激發了螢光分子(fluorescent molecules)想要成像技術,這些螢光分子會發出顯微鏡捕獲的信號以形成圖像。

這些類型的圖像有兩種主要的拍攝方式:
  • 一種以點掃描多光子顯微鏡(Point-scanning multiphoton microscopy)可以深入樣品並捕獲高質量的圖像,但這個過程非常緩慢,因為圖像一次形成一個點。例如,捕獲一厘米大小的圖像可能需要數月時間。它還限制了對快速生物動力學的研究,例如神經元放電。
  • 另一種方法稱為暫時性聚焦顯微鏡(temporal focusing microscopy)。這要快得多,並且可以在更廣泛的範圍內捕獲圖像,但它無法捕獲任何深度超過百萬分之一米的高分辨率圖像。熒光燈散射太多,當相機檢測到它時會導致圖像質量下降。
然而,DEEP 允許大範圍和快速的組織穿透,並產生高分辨率圖像。該系統像暫時性顯微鏡方法一樣將寬光投射到對像中,但雷射光具有特定的模式。知道初始模式的計算成像算法接收收集到的信息,當它被散射時逆轉該過程,然後重建它,對圖像進行去散射。這一點尤其值得注意,因為它需要重建從數百萬次測量到數十次和數百次的結構特徵。與點掃描技術相比,DEEP 可以通過散射組織對數百微米深的組織進行成像。

DEEP 仍處於早期開發階段,但正進入概念驗證階段(proof-of-concept),也就是證明可以在活老鼠的大腦中成像大約 300 微米,但仍有改進空間。(712字;圖1)


參考資料:
New imaging technique may boost biology and neuroscience research. The Havard Gazette, 2021/7/7. 


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