科学家发明了一种新型的显微镜 可以穿透完整的头骨

诸如光学相干显微镜和双光子显微镜的非侵入性显微镜技术通常用于活体组织的体内成像。当光穿过诸如生物组织之类的混浊物质时，会产生两种类型的光：弹道光子和倍增散射光子。弹道光子直接穿过物体而不会发生任何偏转，因此被用于重建物体图像。另一方面，当光穿过材料时，通过随机偏转产生多重散射光子，并在重建图像中显示为斑点噪声。随着光传播通过越来越远的距离，多重散射光子和弹道光子之间的比率急剧增加，从而模糊了图像信息。

骨组织尤其具有许多复杂的内部结构，这会导致严重的多重光散射和复杂的光学像差。当通过完整的头骨对小鼠大脑进行光学成像时，由于强烈的斑点噪声和图像失真，很难看到神经系统的精细结构。这在神经科学研究中是有问题的，其中鼠标被广泛用作模型生物。由于当前使用的成像技术的局限性，必须将颅骨切除或变薄以显微镜检查下方脑组织的神经网络。

因此，已经提出了其他解决方案以实现对活组织的更深成像。例如，近年来，三光子显微镜已成功地用于在小鼠头骨下成像神经元。但是，三光子显微镜受到低激光重复率的限制，因为它采用了红外范围内的激发窗口，这会在体内成像过程中损坏活组织。它还具有过高的激发功率，这意味着与双光子方法相比，光漂白的范围更广。

最近，由韩国首尔基础科学研究所(IBS)分子光谱与动力学中心的Choi Wonshik教授领导的研究团队在深组织光学成像领域取得了重大突破。他们开发了一种新型光学显微镜，可以通过完整的小鼠头骨成像，并在不损失空间分辨率的情况下获取脑组织中神经网络的显微图。

这种新型显微镜被称为“反射矩阵显微镜”，它结合了硬件和计算自适应光学(AO)的功能，该技术最初是为地面天文学开发的，用于校正光学像差。传统的共聚焦显微镜仅在照明的焦点处测量反射信号并丢弃所有聚焦光，而反射矩阵显微镜则在焦点以外的位置记录所有散射的光子。然后，该团队于2017年开发了一种新的AO算法，称为单散射闭环累积(CLASS)，对散射光子进行了计算校正。该算法利用所有散射光有选择地提取弹道光并纠正严重的光学像差。与大多数传统的AO显微镜系统相比，天文学类似在天文学中使用AO那样，需要像亮点一样的反射镜或荧光物体作为引导星，反射矩阵显微镜的工作原理是不带有任何荧光标记，并且不依赖于目标的结构。此外，可以校正的像差模式数量是传统AO系统的10倍以上。

反射矩阵显微镜具有很大的优势，因为它可以与已经在生命科学领域中广泛使用的常规两光子显微镜直接组合。为了消除双光子显微镜的激发光束产生的像差，该团队在反射矩阵显微镜内部署了基于硬件的自适应光学器件，以抵消老鼠头骨的像差。他们通过在老鼠头骨后方的神经元的树突棘上拍摄两光子荧光图像，展示了这种新型显微镜的功能，其空间分辨率接近衍射极限。通常，传统的两光子显微镜无法解决树突棘的精细结构，而不能从颅骨中完全去除脑组织。这是非常重要的成就，韩国小组展示了通过完整的小鼠头骨进行的神经网络的首次高分辨率成像。这意味着现在可以研究其最原始状态的鼠标大脑。

研究教授尹Seokchan和研究生李HOJUN，谁进行了研究，他说，“通过修正波面变形，我们可以集中光能活体组织内所需的位置。我们的显微镜让我们来研究精细的内部结构深在无法通过其他任何方式解决的活组织中。这将极大地帮助我们进行早期疾病诊断并加快神经科学研究。”

研究人员设定了他们的下一个研究方向，以最大程度地减少显微镜的尺寸并提高其成像速度。目标是开发用于临床的具有高成像深度的无标签反射矩阵显微镜。

副主任崔Wonshik说，“反射矩阵显微镜是下一代技术超越了传统光学显微镜的局限性。这将使我们能够通过散射介质拓宽我们的光传播的了解，扩大应用范围，一个光显微镜可以探索。”

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