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我國學者在生物光學成像研究方面取得系列進展
2021年03月04日 15:39:39
來源：化學科學部 點擊量：6212
在國家自然科學基金項目(批準號：21874052、21927802)的資助下，華中科技大學費鵬教授課題組及合作團隊在生物光學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)成像技術以“基于深度學習光場顯微術的實時三維生物動態(tài)過程重建(Real-ti
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圖1： 深度學習光場顯微成像新技術(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。
在國家自然科學基金項目(批準號：21874052、21927802)的資助下，華中科技大學費鵬教授課題組及合作團隊在生物光學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)成像技術以“基于深度學習光場顯微術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》 (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。目前主流的光學顯微成像技術，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習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。該研究構建的神經(jīng)網(wǎng)絡可根據(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因光學通量的限制而導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，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分析，使該技術的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)。該研究成果極大地促進了光學顯微鏡的性能突破，對神經(jīng)學、發(fā)育生物學、細胞生物學領域的交叉研究亦有促進作用。
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