濱松SLM雙光子熒光顯微分辨率技術在腦神經生物測量的應用

濱松SLM雙光子熒光顯微分辨率技術在腦神經生物測量的應用
 

濱松公司利用多年積累的自主光控技術和空間光調制器（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。

目前腦神經科學和生物學等領域里，使用SLM的雙光子激發(fā)熒光顯微鏡得到廣泛利用且已經進入實用化階段，利用上述空間分辨率增強技術，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。其結果是能夠以更高的精度觀察到細胞內細胞器的狀態(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用。

本雙光子顯微鏡外觀

本研究成果發(fā)表在神經科學學術期刊“Frontiers in Neuroscience（前沿神經科學）” 4月20日（星期三）電子版上。是同濱松醫(yī)科大學的生物光子學創(chuàng)新研究實驗室和病毒與寄生蟲學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設備。

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

在腦神經科學、生物學和醫(yī)學等領域里，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，產生所謂的像差（*2）而導致分辨率顯著降低，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。

我們基于大學和科研機構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)科大學合作，一起開發(fā)提高分辨率的技術。※2像差：屬于光的波面的畸變。如果存在像差，會導致聚光性變差，導致顯微鏡的分辨率和激光加工效率等變低。通過SLM調制波前，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

此前我們已經開發(fā)了輸入相息圖到SLM的像差校正技術，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，通過對相息圖圖案環(huán)數量和形狀等的分析，成功找到了能夠實現(xiàn)更高分辨率的最佳圖案。同時搭配能控制偏光（*3）的光學元件，進一步提高了分辨率。本次研究通過增加1個光學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系統(tǒng)的前提下，提高分辨率約20%。 

通過應用本次研究成果，可以推進腦神經科學和生物學等廣泛領域面向實用化的進程。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。結果表明，由于能夠以高精度觀察細胞內細胞器狀態(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用。此外，也期待其應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。