2023年2月3日，華中科技大學(xué)費(fèi)鵬團(tuán)隊(duì)在Cell子刊STAR Protocols雜志上發(fā)表了題為“A practical guide to deep-learning light-field microscopy for 3D imaging of biological dynamics”的實(shí)驗(yàn)方案文章。該文章提供了深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)光場(chǎng)顯微鏡的實(shí)施步驟，其中包括簡(jiǎn)單易實(shí)施的光場(chǎng)顯微鏡搭建步驟和用戶(hù)友好的軟件包及其詳細(xì)的操作說(shuō)明。

觀測(cè)高度動(dòng)態(tài)的生物學(xué)過(guò)程對(duì)生命科學(xué)研究具有極大的意義，例如心臟跳動(dòng)、血液流動(dòng)和神經(jīng)活動(dòng)。這些過(guò)程經(jīng)常發(fā)生在單個(gè)細(xì)胞級(jí)別的三維空間尺度和毫秒級(jí)時(shí)間尺度。因此，如何快速而準(zhǔn)確地捕捉這些三維空間中的動(dòng)態(tài)變化信息，以揭示信號(hào)的時(shí)空演變規(guī)律和背后的生物學(xué)機(jī)制，是一個(gè)非常重要的挑戰(zhàn)。然而，目前主流的三維熒光顯微成像技術(shù)，如掃描共聚焦顯微鏡和光片顯微鏡等高分辨掃描顯微鏡，由于受到激發(fā)光子數(shù)量的限制，其成像速度通常被限制在秒到分鐘級(jí)。而常規(guī)的光場(chǎng)顯微鏡需要通過(guò)犧牲空間分辨率來(lái)?yè)Q取高時(shí)間分辨率，這使得它們難以觀察到上述三維動(dòng)態(tài)生物學(xué)過(guò)程的變化。

針對(duì)上述問(wèn)題，該文章系統(tǒng)地介紹了費(fèi)鵬團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)提出的一種深度學(xué)習(xí)光場(chǎng)顯微鏡的實(shí)驗(yàn)方案。該方案結(jié)合了高速的光場(chǎng)熒光顯微鏡和基于深度學(xué)習(xí)的光場(chǎng)重建算法，能夠以單細(xì)胞分辨率對(duì)毫秒級(jí)動(dòng)態(tài)生物學(xué)過(guò)程進(jìn)行百赫茲幀率的三維成像。該方法高時(shí)空分辨率的三維成像能力為很多重要生物學(xué)應(yīng)用提供了可能，例如行為相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)以及模型生物的心血管血液動(dòng)力學(xué)等。

實(shí)施深度學(xué)習(xí)光場(chǎng)顯微鏡的步驟包括：搭建光場(chǎng)顯微鏡并用其進(jìn)行三維熒光信號(hào)的高速采集；進(jìn)行基于深度學(xué)習(xí)的光場(chǎng)三維重建算法的數(shù)據(jù)處理和模型訓(xùn)練；用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集到的時(shí)序動(dòng)態(tài)光場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行三維重建（圖1）。最后本方案以線(xiàn)蟲(chóng)和斑馬魚(yú)這兩類(lèi)典型模式生物為例，提供了自由運(yùn)動(dòng)線(xiàn)蟲(chóng)神經(jīng)元和斑馬魚(yú)心跳血流的成像流程，并且基于重建結(jié)果展示了對(duì)線(xiàn)蟲(chóng)神經(jīng)活動(dòng)和斑馬魚(yú)心血管血液動(dòng)力學(xué)的定量分析流程。

圖1 深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)光場(chǎng)顯微鏡的實(shí)施步驟

本文提供的光場(chǎng)成像系統(tǒng)搭建方案是便于用戶(hù)實(shí)施的簡(jiǎn)單易操作的（圖2）。該方案基于常規(guī)商用寬場(chǎng)顯微鏡設(shè)計(jì)，便于用戶(hù)進(jìn)行樣品的固定和操作。其中所有光學(xué)和光機(jī)械件都是易于購(gòu)買(mǎi)的，并采用了簡(jiǎn)單易操作的籠式系統(tǒng)。

圖2 光場(chǎng)顯微鏡原理及樣機(jī)示意圖

另外，為了保證用戶(hù)能以最高效的方式達(dá)到最優(yōu)的三維重建結(jié)果，文章中還基于配套的軟件包以及實(shí)例教程，提供了一套針對(duì)光場(chǎng)三維重建網(wǎng)絡(luò)的特定數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程。其中包括便于構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)的光場(chǎng)投影算法、適用于不同成像需求的多種推薦的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

最后以線(xiàn)蟲(chóng)和斑馬魚(yú)這兩類(lèi)典型模式生物為例，詳述了研究自由運(yùn)動(dòng)線(xiàn)蟲(chóng)神經(jīng)元活動(dòng)和活體斑馬魚(yú)心臟血流動(dòng)力學(xué)兩個(gè)具體生物應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和定量分析流程，實(shí)例結(jié)果如圖3所示。

圖3 深度學(xué)習(xí)光場(chǎng)顯微鏡用于自由運(yùn)動(dòng)線(xiàn)蟲(chóng)神經(jīng)元活動(dòng)和跳動(dòng)斑馬魚(yú)心臟的血流動(dòng)力學(xué)研究

審核編輯：劉清