高通量光学成像研究新成果

 1月4日，华中科技大学光电信息学院费鹏教授课题组联合武汉光电国家研究中心朱䒟教授及同济医学院附属同济医院梅伟教授课题组，在国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Minutes-timescale 3D isotropic imaging of entire organs at subcellular resolution by content-aware compressed-sensing light-sheet microscopy”的研究论文。华中科技大学光电信息学院博士研究生方春钰，武汉国家光电研究中心副研究员俞婷婷为论文共同第一作者。费鹏教授、朱䒟教授和梅伟教授为论文共同通讯作者。

论文提出一种自监督的三维压缩感知算法，结合大视场贝塞尔光片显微镜技术，实现高通量的全组织整体三维成像。该研究在光学上实现了大视场下的均匀贝塞尔型光片照明，可对数毫米至数厘米尺寸经快速透明化处理的组织样本进行仅1至3微米厚的光学层析激发，使自行研制的光片显微镜在硬件上即具备各向同性三维成像的能力。在图像处理方面，该研究提出了一种根据荧光信号局部稀疏特性自动调整约束参数的压缩感知算法（content aware compressive sensing, CACS），可对大规模、高动态范围图像进行三维分辨率增强。将两者结合后，大视场贝塞尔光片显微镜可在较低倍率下仅需数分钟即获取组织的整体三维图像，再经CACS算法复原，快速重建出全组织的高分辨版本图像。

图1. 自适应压缩感知图像分辨率增强原理

图2. 压缩感知光片显微镜技术实现分钟级快速小鼠全脑神经元成像。全脑原始数据采集时间5-10分钟，压缩感知增强后图像体像素分辨率为0.5微米。基于重建的全脑三维图像，可开展脑区分割、神经元投射追踪等生物分析。

图3. 双色压缩感知光片成像揭示小鼠肌肉中运动终板分布及神经肌肉接头细节。基于对双色标记肌肉成像结果的突触前后膜体积统计。对同时标记了神经元和运动终板的小鼠肌肉进行双色三维成像。并基于三维重建结果分析运动终板的数目和突触前后膜的体积比。

该研究改进了传统的压缩感知算法，并发展出大视场贝塞尔光片显微镜技术，两者的结合显著提升了三维荧光成像的通量，解决了以往大规模、全组织三维成像通量低的难题。硬件上通过新型光片显微镜可快速获取各向同性分辨率的原始三维图像，软件上自适应压缩感知方法可进一步增强分辨率，且无需数据训练，对荧光信号具有高适用性。通过小鼠全脑神经元成像和追踪，小鼠脑细胞构筑的可视化和分区计数，小鼠肌肉整体成像及神经肌肉接头细节分析这三个应用演示，该技术在全器官/组织成像中的优越性能得到充分体现。同时，基于通用计算的图像复原算法亦适用于增强共聚焦、双光子等商业化三维显微镜，方法具有较高的兼容性。

本研究获科技部重点研发计划、基金委面上项目、基金委重大仪器研制项目、基金委重点国际合作项目及武汉光电研究中心WNLO创新基金资助。（文/华中科技大学）