张江发明了一种新型成像技术——共聚焦光场显微镜

北京时间8月10日深夜23点，《自然-生物技术》杂志在线发表了题为《共聚焦光场显微镜对小鼠和斑马鱼大脑快速体成像》的研究论文，来自上海脑科学与类脑研究中心（张江）、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室的科学家们共同完成了生命科学领域不可多得的“中国制造”，再度让世人惊叹。

简单来说

就是来自张江的科学家们发明了一种新型成像技术——共聚焦光场显微镜（Confocal light field microscopy），可以对活体动物深部脑组织中的神经和血管网络进行快速、大范围的活体成像。

有了这项“利器”，科学家们就可以为脑部细胞拍摄“工作照”，更深入地了解大脑是如何展开工作的，为解开“大脑之谜”奠定基础。

何为共聚焦光场显微镜？

在人类探索自身奥秘的旅程中，大脑的秘密是其中最难以攀登，却又最令人向往的一座高峰。我们的大脑中有着数以亿计的细胞，其中，神经元约有860亿，这个数字比目前地球上人口总和的十倍还要多。

如果我们把每一个神经元看作是一个人，那我们的大脑就像是一个非常复杂而庞大的社会，它的正常运转离不开每一个人的分工协作。这些神经元到底是如何一起工作的，就是神经科学中研究的核心问题。

如果我们把每个神经元的活动轨迹都绘制出来，所看到的就像是一团乱麻，无法知道它们到底在神经环路中扮演着什么样的角色。

那么，应该怎样去研究这个复杂的问题呢？

方法之一就是用聚焦显微镜和双光子显微镜这些传统的活体成像工具进行扫描，以此来判断它们的运动轨迹。可是，由于时间分辨率较低，它们难以捕捉到神经元的快速变化，当然也就不可能进行大范围的研究。

因此，近年来人们一直致力于开发更快的成像方法。在多种新技术中，光场显微镜尤其具有潜力，得到了广泛关注。这种显微镜的特点是可以在相机的单次曝光瞬间，记录来自物体不同深度的信号，通过反卷积算法重构出整个三维体，实现快速活体成像。

这种方法已经在线虫、斑马鱼幼鱼等小型模式动物上获得了初步应用，看上去似乎很完美了，是不是？其实不然。

传统的光场显微镜

还存在两个难以解决的问题

限制了它在生物成像上的广泛应用

首先，重构的结果会出现失真；

其次，现有光场显微成像技术缺乏光学切片能力，无法对较厚组织，比如小鼠的大脑进行成像。

连小鼠关都过不了，更别说应用于人体了。

那么，接下里的关键步骤就是如何克服重构失真问题以及让光场显微镜具有共聚焦显微镜一样的光学切片能力。

2017年，上述团队的科学家们就研发了新型扩增视场光场显微镜，有效解决了重构失真的问题，并首次三维记录了斑马鱼幼鱼在完整捕食行为中的全脑神经元活动变化。

历经三年的科技攻关，研究团队这次又提出了广义共聚焦检测的概念，使其可以与光场显微镜的三维成像策略结合，在不牺牲体成像速度的前提下有效滤除背景噪声，大幅度提高了灵敏度和分辨率。这种新型的光场显微成像技术被称为——共聚焦光场显微镜。

（上）共聚焦光场显微镜原理示意图。

（下）不同于传统光场显微镜，共聚焦光场显微镜采用片状照明，选择性激发样本的一部分，在垂直照明的方向上扫描，采集到的信号被遮挡板过滤掉焦层范围之外的部分。对采集到的图像进行重构可以得到焦层内的三维信息。

为脑细胞抓拍“工作照”

“工欲善其事，必先利其器。”工具准备好了，接下来就要去给脑细胞拍“工作照”了。

研究团队在不同动物样品上测试了共聚焦光场显微镜的成像能力。

（左）斑马鱼幼鱼捕食行为的一个例子。0s 为斑马鱼吞食草履虫的时刻。（右）左图斑马鱼捕食行为中，共聚焦光场显微镜记录到的两个不同脑区的神经元活动。箭头所指为过程中激活的单个神经元。

首先，团队成员对活体斑马鱼幼鱼进行全脑钙成像。对比共聚焦和传统光场显微镜的成像结果，研究人员发现加入光学切片能力后，图像分辨率和信号噪声比显著提高，可以检测到更多较弱的钙活动。

科学家们进一步将共聚焦光场显微镜和高速三维追踪系统结合，对自由行为的斑马鱼幼鱼进行全脑钙成像。受益于更高的分辨率和灵敏度，可以识别出斑马鱼幼鱼在捕食草履虫过程中单个神经元的钙离子活动的变化。

（左）共聚焦光场显微镜拍摄得到的小鼠视皮层中的复杂血管网络。6个在不同深度拍摄的体积连接为一个深度达600 μm的三维结构。（中）100 μm到250 μm深度血管网络的平面投影，颜色代表不同血管分支中血细胞的平均流速。（右）图中箭头所指的区域中五个血管分支在一段时间内流过血细胞数量的计数。

紧接着，团队成员又开始验证共聚焦光场显微镜对小鼠大脑的成像效果。对清醒小鼠的视皮层进行钙成像，不仅可以同时记录一定体积内近千个神经元的活动，并且连续5小时以上稳定记录超过10万帧，没有明显的光漂白。

团队成员进一步尝试使用共聚焦光场显微镜对鼠脑中的血细胞进行成像，同时记录上千根血管分支中群体血细胞的流动情况并计算血细胞的速度，相比之前的传统成像方法通量提高了百余倍。

研究团队在自由行为的斑马鱼幼鱼和小鼠大脑上的试验证明了——共聚焦光场显微镜有更高的分辨率和灵敏度，这就为研究大范围神经网络和血管网络的功能提供了新的工具。同时，这项技术不仅适用脑组织的成像，还可以根据所需成像的样品种类灵活调整分辨率、成像范围和速度，应用在其他厚组织的快速动态成像中。

现代神经科学的奠基者、西班牙科学家拉蒙·卡哈尔曾经说过：“只要大脑的奥秘尚未大白于天下，宇宙将仍是一个谜。”

大脑是控制机体所有功能的中枢，“因为有了脑，我们才有了乐趣、欣喜与欢笑，才有了绝望、哀愁与无尽的忧思。因为有了脑，我们才看得见，才听得到。因为有了脑，我们才以一种独特的方式拥有了智慧，获得了知识”。

这些张江科学家的最新发明让我们离攀登脑科学的高峰又近了一步，而且是在科技最前沿的生命科学领域实现了难得的“中国制造”。让我们为这些不懈努力、孜孜以求的科学家们喝彩！