中大研發生物神經3D影像高速掃描方法 有助促進光遺傳學研究

社會 16:17 2019/10/24

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中大工程學院機械與自動化工程學系副教授陳世祈(前排右一)及其研究團隊。(相片由中大提供)

傳統顯微鏡難以直接觀察一般在10毫秒量級時間內完成的神經活動現象,新型的雙光子顯微鏡的成像速度亦有其限制。香港中文大學結合壓縮感知演算法與數碼全息顯微鏡,研發了一種高速成像方法,在1秒內即可完成對三維(3D)樣品的雙光子螢光成像,速度是傳統點掃描方法的3至5倍,有望促進生物與醫學領域,如光遺傳學方面的研究。

現已廣泛應用於生物學研究的雙光子顯微鏡,可用於對生物神經分布進行三維成像,並同時觀察幾百個神經元活動,利用匯聚的紅外超快脈衝鐳射,在樣品中與螢光標貼互動以製成圖像。與常規顯微鏡比較,雙光子顯微鏡能夠在深達1毫米的活體組織中,進行高解析度三維成像,但由於螢光訊號十分微弱,使雙光子顯微鏡的成像速度受到限制。

為了提升掃描速度,中大工程學院機械與自動化工程學系副教授陳世祈的團隊,研發了基於數字微鏡器件的多焦點鐳射掃描方法,以解決數位微鏡器件無法調製超快鐳射的問題,使之能被集成及應用於超光鐳射光束整形、脈衝整形及雙光子成像。

研究通過結合壓縮感知演算法與數碼全息顯微鏡,進一步提高了成像速度,將圖像測量和壓縮「同步進行」,在較少測量次數下即可完成圖像採集,隨後使用算法從測量結果中重建圖像,這種方法用於雙光子顯微鏡,測量次數可減少70%至90%。研究透過雙光子成像實驗,證明該技術能實現高速及高品質的三維成像,例如對花粉進行三維成像所需時間,只要0.55秒,比傳統逐點掃描方法所需的2.2秒更快。

中大團隊透過新的壓縮感知方法(b)對花粉進行雙光子螢光成像,僅需時0.55秒,比傳統逐點掃描(a)的2.2秒更快。(相片由中大提供)

陳世祈表示,新方法可將成像速度提升3至5倍,並保持同等解析度,相信新方法可讓生物與醫學領域如光遺傳學有新發現。團隊正努力進一步提高重建演算法的速度和圖像質素,並計劃將數字微鏡器件與其他先進的成像技術結合使用,以進行對更深層組織的成像。相關研究成果近日已於學術期刊《Optics Letters》上發表。

中大團隊開發基於數碼微鏡陣列的雙光子顯微鏡,左圖為雙光子顯微鏡系統的CAD模型,右圖為實際的系統內部。(相片由中大提供)

記者:馮琪雅