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物理學(xué)家羅伯特·普雷韋德爾在歐洲分子生物學(xué)實驗室設(shè)計和制造的顯微鏡可以快速測量神經(jīng)元活動，同時適應(yīng)活體小鼠大腦的運動。

圖片來源：《自然》網(wǎng)站

◎?qū)嵙?xí)記者 張佳欣

【今日視點】

智能顯微鏡日益受到科學(xué)家們的青睞，因為這些顯微鏡可以比以往任何時候都更深入地觀察組織，并在關(guān)鍵時刻放大細(xì)節(jié)，捕捉細(xì)胞生命中稍縱即逝的瞬間。

自適應(yīng)顯微鏡的“用武之地”

老鼠的心臟每分鐘大約跳動600次。每跳動一次，血管中的血液就會震動大腦和其他器官。這種跳動不會給老鼠帶來麻煩，但它確實給科學(xué)家們帶來了挑戰(zhàn)。

據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站介紹，物理學(xué)家羅伯特·普雷韋德爾就面臨這樣的問題。他在歐洲分子生物學(xué)實驗室設(shè)計和制造的顯微鏡或能解決這一難題。他試圖探明：當(dāng)器官本身移動時，如何捕捉大腦深處的神經(jīng)活動。

通常情況下，顯微鏡很難觀察到組織中超過一毫米的深度。除此之外，從細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)反射的光會產(chǎn)生扭曲，即使樣本沒有隨著心跳移動，圖像也會變得模糊，更別提需要深入到活標(biāo)本的幾十或數(shù)百微米深處。這些，正是自適應(yīng)顯微鏡能大顯身手之處。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)最早是為天文學(xué)應(yīng)用開發(fā)的，它使用由可變形膜而非剛性光學(xué)材料制成的鏡子和透鏡來引導(dǎo)光線。軟件工具迅速改變薄膜的形狀，以響應(yīng)樣品的變化。這種“樣本自適應(yīng)”的方法不需要人工操作，而是依靠顯微鏡本身實時調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，以持續(xù)產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。

2021年，普雷韋德爾和他的同事設(shè)計了一種智能顯微鏡，將一種名為三光子熒光成像的方法與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，用于探測組織內(nèi)部。研究小組在與心跳同步的情況下，對大腦表面下近1.5毫米處的海馬體區(qū)域的細(xì)胞進(jìn)行成像，這一區(qū)域比之前的研究深入了0.5毫米。

隨著時空變化進(jìn)行觀察

英國劍橋MRC分子生物學(xué)實驗室的發(fā)育生物學(xué)家凱特·麥克多爾開發(fā)了一種顯微鏡，研究隨著小鼠胚胎的發(fā)育，細(xì)胞塊如何形成復(fù)雜的組織。該團(tuán)隊希望在3天內(nèi)對發(fā)育中的胚胎進(jìn)行成像，在此期間，胚胎直徑從大約200微米增長到近3毫米。麥克多爾說，胚胎固定在一端，可以“在微風(fēng)中自由搖擺”，其密度和其他光學(xué)特性會隨著時間的推移而變化，而“顯微鏡需要跟上這一切”。

麥克多爾團(tuán)隊從一種名為同步多視角光片顯微鏡的技術(shù)開始，改變了光學(xué)設(shè)計，并創(chuàng)建了軟件來控制光源的角度和光學(xué)元件的位置等因素。該軟件能夠在收集圖像時衡量胚胎的數(shù)據(jù)質(zhì)量，并可以在整個實驗過程中調(diào)整這些因素來優(yōu)化圖像。

顯微鏡還自動檢測正在生長的胚胎在樣本室中的位置，并將其保持在視野的中心，調(diào)整距離以確保圖像質(zhì)量前后一致。

麥克多爾團(tuán)隊使用這個系統(tǒng)觀察小鼠胚胎48小時內(nèi)的發(fā)育，以單細(xì)胞分辨率對胚胎心臟和其他發(fā)育中的器官進(jìn)行成像。隨后，他們對大腦類器官進(jìn)行了長達(dá)兩周的成像?！斑@就是智能顯微鏡的未來，即讓顯微鏡決定何時何地以及如何對特定事件采取行動?！丙溈硕酄栒f，“你可以教顯微鏡這樣做，比如，現(xiàn)在是凌晨3點，當(dāng)這種細(xì)胞分裂發(fā)生時，我希望你將圖像放大，然后恢復(fù)正常成像?！?/p>

深入亞細(xì)胞尺度捕捉瞬間

智能顯微鏡也被開發(fā)用于為更小的結(jié)構(gòu)成像。例如，瑞典皇家理工學(xué)院的物理學(xué)家伊拉里亞·泰斯塔建造了一個裝置，用來觀察當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞激活時，亞細(xì)胞囊泡在神經(jīng)突觸釋放鈣的過程，這是信號傳遞的關(guān)鍵一步。

“這些都是罕見的事件，捕捉它們并不容易?！碧厮顾f。

一種選擇是不停地對標(biāo)本進(jìn)行成像。但囊泡的釋放是暫時的，其結(jié)構(gòu)對于標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡來說也太小了。超分辨率成像可以顯示更多細(xì)節(jié)，但它需要高強(qiáng)度光源，這些光源只能在樣品損壞之前短暫使用。該團(tuán)隊嘗試了各種延時方法，以固定的時間間隔捕獲圖像。但特斯塔說，這就像是看了一場足球比賽，卻錯失了其中一個進(jìn)球，因為你在關(guān)鍵時刻把目光投向了其他地方。

為了幫助他們將目光集中在“球”上，特斯塔團(tuán)隊結(jié)合了兩種顯微鏡方法：熒光廣域顯微鏡和一種被稱為受激發(fā)射耗盡（STED）的超分辨率顯微鏡。他們開發(fā)了一個軟件系統(tǒng)來控制這些顯微鏡模式：當(dāng)軟件檢測到熒光發(fā)生變化時，系統(tǒng)會自動切換到更高分辨率的STED模式。這使得研究小組能夠以納米級的精度捕捉到細(xì)胞在釋放鈣后如何重組它們的突觸小泡。

“我們基本上是在以更智能的方式引導(dǎo)圖像的采集?！碧厮顾f，“這種設(shè)置提高了效率，因為智能顯微鏡只捕捉到你真正關(guān)心的那幾秒鐘?！?/p>

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