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我國學(xué)者在生物光學(xué)成像研究方面取得系列進展
2021年03月04日 15:39:39
來源：化學(xué)科學(xué)部 點擊量：6187
在國家自然科學(xué)基金項目(批準號：21874052、21927802)的資助下，華中科技大學(xué)費鵬教授課題組及合作團隊在生物光學(xué)成像的研究取得系列進展。繼此前的超分辨成像算法和高通量三維成像技術(shù)的研究成果于2020年11月和2021年1月先后在Optica和Nature Communications上推出后，團隊新的快速動態(tài)成像技術(shù)以“基于深度學(xué)習(xí)光場顯微術(shù)的實時三維生物動態(tài)過程重建(Real-ti
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圖1： 深度學(xué)習(xí)光場顯微成像新技術(shù)(a, b)實現(xiàn)對神經(jīng)行為(c, d)，血流(e, f)，心跳 (g, h)等毫秒級動態(tài)生命過程的高速三維成像。
在國家自然科學(xué)基金項目(批準號：21874052、21927802)的資助下，華中科技大學(xué)費鵬教授課題組及合作團隊在生物光學(xué)成像的研究取得系列進展。繼此前的超分辨成像算法和高通量三維成像技術(shù)的研究成果于2020年11月和2021年1月先后在Optica和Nature Communications上推出后，團隊新的快速動態(tài)成像技術(shù)以“基于深度學(xué)習(xí)光場顯微術(shù)的實時三維生物動態(tài)過程重建(Real-time volumetric reconstruction of biological dynamics with light-field microscopy and deep learning)”為題,于2021年2月12日在《自然·方法學(xué)》 (Nature Methods)上發(fā)表。
對生命活動的重要現(xiàn)象,如心跳、血流、神經(jīng)行為等進行高特異性顯微觀測的關(guān)鍵在于對毫秒級三維動態(tài)過程進行快速且精準的捕捉。目前主流的光學(xué)顯微成像技術(shù)，如共聚焦、雙光子、光片顯微鏡均需通過軸向掃描獲得多幀圖像后,重建信號的空間分布，因而三維成像的速率常被限制在秒至分鐘級，對動態(tài)生物學(xué)過程的觀測非常困難。
針對上述問題，該團隊提出一種基于深度學(xué)習(xí)的光場顯微成像方法，實現(xiàn)了對動態(tài)過程的長時程、快速、高分辨的三維觀測。該研究構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)記錄的單幀二維光場圖像實時重建出信號的動態(tài)三維分布，突破了目前三維成像技術(shù)因光學(xué)通量的限制而導(dǎo)致的高速和精準難以兼顧的問題，以單細胞分辨率捕捉了活體樣本的毫秒級三維動態(tài)生物學(xué)過程，且二-三維圖像轉(zhuǎn)換的速度可達數(shù)十體積每秒，成功實現(xiàn)了實時重建。利用該技術(shù)，團隊成員進一步對自由運動線蟲行為、斑馬魚心跳血流等高度動態(tài)過程進行了快且精準的三維熒光成像，并完成了定量的神經(jīng)活性和心臟血流動力學(xué)分析，使該技術(shù)的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)。該研究成果極大地促進了光學(xué)顯微鏡的性能突破，對神經(jīng)學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、細胞生物學(xué)領(lǐng)域的交叉研究亦有促進作用。
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