EventLFM

高速體積成像是研究動態(tài)生物過程不可或缺的工具。傳統(tǒng)的基于掃描的3D成像技術(shù)，如共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡和光片顯微鏡，具有很高的空間分辨率。

然而，它們的數(shù)據(jù)采集速度受到光束掃描需要的限制，在時間分辨率和空間帶寬乘積(SBP)之間存在固有的權(quán)衡問題，空間帶寬乘積是以三維視場(FOV)與空間分辨率之比來衡量的。

通過在傅立葉域記錄光場信息，傅立葉光場顯微鏡(LFM)可在整個恢復(fù)體積內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的高空間分辨率。然而，傳統(tǒng) CMOS 相機的同步讀出限制構(gòu)成了一個瓶頸，將現(xiàn)有的單鏡頭三維寬視場技術(shù)限制在全幀分辨率 100 Hz 以下。

這種限制阻礙了它們在捕捉可能超過千赫茲(kHz)的超快動態(tài)生物過程(如哺乳動物大腦中的電壓信號、血流動態(tài)和肌肉組織收縮)中的應(yīng)用，從而留下了有待彌補的巨大技術(shù)差距。

發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light：Science & Applications)上的一篇新論文中，波士頓大學(xué)電子與計算機工程系Lei Tian教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊及其合作者開發(fā)出了一種新穎的超快單次三維成像技術(shù)——EventLFM，該技術(shù)將事件相機集成到傅立葉低頻成像系統(tǒng)中，以千赫速度促進容積成像。

研究小組展示了 EventLFM 在 1 kHz 時間分辨率下重建快速移動三維物體復(fù)雜動態(tài)的能力。通過受控照明實驗，他們展示了該技術(shù)對脈沖寬度短至 1 毫秒的高頻三維閃爍物體進行成像的能力。

此外，該技術(shù)還能有效捕捉散射組織內(nèi)的快速動態(tài)信號，通過對小鼠大腦切片中的神經(jīng)元活動進行成像，模擬了一系列 DMD 模式，以千赫速率誘導(dǎo)出獨特的時空足跡。

該團隊還成功地在三維空間內(nèi)對自由移動的秀麗隱桿線蟲體內(nèi)表達GFP的神經(jīng)元進行了成像和跟蹤，幀頻達到500赫茲。深度學(xué)習(xí)重建網(wǎng)絡(luò)與 EventLFM 的整合大大提高了成像質(zhì)量，增強了三維分辨率。

這項報告工作為研究人員提供了一種以千赫速度觀察三維動態(tài)生物過程的新工具。

研究人員說：“我們設(shè)計的 EventLFM 將事件相機與傅立葉 LFM 系統(tǒng)集成在一起，從而能夠以千赫速度對復(fù)雜、快速的生物過程進行成像，并具有較高的三維分辨率。”

他們補充說：“應(yīng)該指出的是，我們的實驗結(jié)果所顯示的千赫茲幀速率是由累積時間決定的，而累積時間可在后處理步驟中調(diào)整，不會影響數(shù)據(jù)捕獲速度。通過進一步縮短累積時間，我們可以增強系統(tǒng)捕捉超過千赫茲速率的動態(tài)過程的能力?！?/p>

科學(xué)家們預(yù)測：“我們重點介紹了 EventLFM 對散射小鼠腦組織中閃爍神經(jīng)元信號的成像能力，以及對自由移動的秀麗隱桿線蟲中 GFP 標記神經(jīng)元的追蹤能力。鑒于其簡單性、超快三維成像能力以及在散射環(huán)境中的穩(wěn)健性，EventLFM 有潛力成為各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中可視化復(fù)雜、動態(tài)三維生物現(xiàn)象的寶貴工具。”

審核編輯 黃宇