濱松SLM雙光子熒光顯微分辨率技術(shù)在腦神經(jīng)生物測量的應(yīng)用
 

濱松公司利用多年積累的自主光控技術(shù)和空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，以下簡稱SLM *1），確立了雙光子激發(fā)熒光顯微鏡的空間分辨率增強技術(shù)。

目前腦神經(jīng)科學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域里，使用SLM的雙光子激發(fā)熒光顯微鏡得到廣泛利用且已經(jīng)進入實用化階段，利用上述空間分辨率增強技術(shù)，可方便地提高顯微鏡的分辨率，能對生物樣品的深部進行精準化測量。其結(jié)果是能夠以更高的精度觀察到細胞內(nèi)細胞器的狀態(tài)變化，有助于推動腦功能研究和腎臟等疾病的病因分析等方面的應(yīng)用。

本雙光子顯微鏡外觀

本研究成果發(fā)表在神經(jīng)科學(xué)學(xué)術(shù)期刊“Frontiers in Neuroscience（前沿神經(jīng)科學(xué)）” 4月20日（星期三）電子版上。是同濱松醫(yī)科大學(xué)的生物光子學(xué)創(chuàng)新研究實驗室和病毒與寄生蟲學(xué)研究實驗室合作完成的。※1 SLM：用液晶控制激光等入射光的波前，以調(diào)整反射光的波前形狀，對入射光的像差和畸變進行 校正等，是可自由控制激光的照射模式的光學(xué)設(shè)備。

熒光顯微鏡的工作原理

光照射在以熒光色素等標記過樣本時所發(fā)出的光被稱為熒光。利用這種現(xiàn)象，可用激光照射特定位置使之發(fā)光，并用顯微鏡的光電檢測器進行檢測。

研究背景

在腦神經(jīng)科學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域里，往往需要對大腦等有厚度生物樣本的深層部位進行觀測。雙光子激發(fā)熒光顯微鏡是利用在生物體內(nèi)具有良好穿透性的近紅外光，它與傳統(tǒng)的可見光熒光顯微鏡相比，能使激光到達樣本的更深位置。但另一方面，深部樣本會由于透鏡特性和樣品不同，產(chǎn)生所謂的像差（*2）而導(dǎo)致分辨率顯著降低，因此我們在傳統(tǒng)的雙光子激發(fā)熒光顯微鏡中搭載了利用輸入相息圖可對像差進行校正的SLM，目的是推動雙光子激發(fā)熒光顯微鏡的進一步實用化。

我們基于大學(xué)和科研機構(gòu)等希望提高分辨率以能更精細地觀察樣本深部的需求，與濱松醫(yī)科大學(xué)合作，一起開發(fā)提高分辨率的技術(shù)。※2像差：屬于光的波面的畸變。如果存在像差，會導(dǎo)致聚光性變差，導(dǎo)致顯微鏡的分辨率和激光加工效率等變低。通過SLM調(diào)制波前，可以實現(xiàn)消除像差的目的。

SLM的像差校正原理 

將用于校正像差的相息圖通過計算機輸入到SLM，入射到SLM的激光通過相息圖得到校正后反射。在雙光子激發(fā)熒光顯微鏡中，用校正像差后的激光照射樣品可以得到更清晰的特定位置成像。

研究成果概要

此前我們已經(jīng)開發(fā)了輸入相息圖到SLM的像差校正技術(shù)，能清晰觀察到距離生物樣本表面約200微米（以下簡稱μm，μ為百萬分之一）深的組織。 

本次我們基于多年積累的自主光控技術(shù)，通過對相息圖圖案環(huán)數(shù)量和形狀等的分析，成功找到了能夠?qū)崿F(xiàn)更高分辨率的最佳圖案。同時搭配能控制偏光（*3）的光學(xué)元件，進一步提高了分辨率。本次研究通過增加1個光學(xué)元件以及輸入最佳的相息圖圖案，雙管齊下，在不大幅修改顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的前提下，提高分辨率約20%。 

通過應(yīng)用本次研究成果，可以推進腦神經(jīng)科學(xué)和生物學(xué)等廣泛領(lǐng)域面向?qū)嵱没�的進程。而提高搭載SLM雙光子激發(fā)熒光顯微鏡的分辨率，可對生物樣品的深部進行清晰、高分辨和更精準的測量。結(jié)果表明，由于能夠以高精度觀察細胞內(nèi)細胞器狀態(tài)的變化，有望在腦功能研究和腎臟等疾病的病因查明等方面得到進一步的應(yīng)用。此外，也期待其應(yīng)用于未來的治療藥物的研發(fā)。 

今后，我們將繼續(xù)進行研發(fā)，以進一步提高分辨率并推進實用化。※3 偏光：是指偏向特定方向振動的光，或其狀態(tài)。

傳統(tǒng)雙光子激發(fā)熒光顯微鏡（左）和搭載SLM雙光子激發(fā)熒光顯微鏡（右）的測量實例
 

圖例為測量球形熒光納米金剛石樣品表面約50um深度的測量結(jié)果。 圖例為離表面約50um深度的球形熒光納米金剛石樣品的測量結(jié)果。 利用本次搭載SLM雙光子激發(fā)熒光顯微鏡，可以實現(xiàn)比以往更高的分辨率。