活體組織中細(xì)胞和細(xì)胞器的長時間高時空分辨率監(jiān)測對理解其生理現(xiàn)象具有重要意義捻悯，但是組織特殊的光學(xué)屬性使得長時間高時空分辨率監(jiān)測非常困難匆赃。細(xì)胞的離體觀察難以反映其在體內(nèi)的真實(shí)生物動態(tài)，例如腫瘤細(xì)胞在體外很容易被殺死今缚，而在活體環(huán)境時算柳，受到三維組織以及各種細(xì)胞因子的影響，想要?dú)⑺滥[瘤細(xì)胞就變得沒那么容易姓言。這個時候瞬项，就需要有效的三維活體成像手段來替代二維的體外研究。細(xì)胞之間以及細(xì)胞內(nèi)的活動往往需要高時空分辨率的手段來應(yīng)對何荚，特別是哺乳動物囱淋，心跳和呼吸會在沒有高成像速率的情況下引入運(yùn)動模糊和偽影。組織中折射率的不均勻分布會導(dǎo)致嚴(yán)重的光學(xué)像差餐塘，從而降低圖像分辨率和信噪比(SNR)妥衣。強(qiáng)光劑量會干擾正常的細(xì)胞行為和細(xì)胞器功能，導(dǎo)致活體成像的光子劑量有限戒傻，即信噪比低税手，時間分辨率也會下降。
2021 cell:數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)迭代層析用于三維活體亞細(xì)胞毫秒級動態(tài)小時級觀測
技術(shù)背景：
活體組織中細(xì)胞和細(xì)胞器的長時間高時空分辨率監(jiān)測對理解其生理現(xiàn)象具有重要意義需纳，但是組織特殊的光學(xué)屬性使得長時間高時空分辨率監(jiān)測非常困難冈止。細(xì)胞的離體觀察難以反映其在體內(nèi)的真實(shí)生物動態(tài)，例如腫瘤細(xì)胞在體外很容易被殺死候齿，而在活體環(huán)境時熙暴，受到三維組織以及各種細(xì)胞因子的影響闺属，想要?dú)⑺滥[瘤細(xì)胞就變得沒那么容易。這個時候周霉，就需要有效的三維活體成像手段來替代二維的體外研究掂器。細(xì)胞之間以及細(xì)胞內(nèi)的活動往往需要高時空分辨率的手段來應(yīng)對，特別是哺乳動物俱箱，心跳和呼吸會在沒有高成像速率的情況下引入運(yùn)動模糊和偽影国瓮。組織中折射率的不均勻分布會導(dǎo)致嚴(yán)重的光學(xué)像差，從而降低圖像分辨率和信噪比(SNR)狞谱。強(qiáng)光劑量會干擾正常的細(xì)胞行為和細(xì)胞器功能乃摹，導(dǎo)致活體成像的光子劑量有限，即信噪比低跟衅，時間分辨率也會下降孵睬。為了解決組織長時間高時空分辨率監(jiān)測非常困難的問題，研究人員開發(fā)出了各種各種的技術(shù)手段伶跷。過去的十年中掰读，亞細(xì)胞活體顯微鏡有了大幅的發(fā)展，例如轉(zhuǎn)盤共聚焦顯微鏡叭莫、自適應(yīng)光學(xué) (AO)蹈集、高速雙光子顯微鏡和光片顯微鏡 (LSM)，它們與新的動物模型一起促進(jìn)了神經(jīng)科學(xué)雇初、發(fā)育生物學(xué)拢肆、免疫學(xué)和癌癥生物學(xué)領(lǐng)域的各種研究。然而靖诗，在分辨率郭怪、速度、SNR 和樣本健康之間存在難以躲避的矛盾呻畸，這在實(shí)時熒光成像中被稱為“挫折金字塔(pyramid of frustration)”。在通常需要對多個平面進(jìn)行軸向掃描的三維 (3D) 生物體中悼院，情況變得更糟伤为。一次實(shí)驗(yàn)的時間窗口只能支持?jǐn)?shù)百個體積采集，以避免總光劑量超過 300 J/cm2 從而造成相當(dāng)大的光損傷据途。 LSM 通過僅激發(fā)對焦區(qū)域以避免不必要的曝光來緩解該問題绞愚。帶有 AO 的晶格 LSM進(jìn)一步提高了透明生物體的時空分辨率，但小視野 (FOV) 和 AO 校正都限制了其大體積觀測時的速度颖医。此外位衩，由于組織不透明和空間限制，很難以亞細(xì)胞分辨率在哺乳動物組織中應(yīng)用 LSM熔萧。在哺乳動物中以亞細(xì)胞分辨率和低光子劑量進(jìn)行長期糖驴、高速成像仍然是一個挑戰(zhàn)僚祷。在各種體積成像手段中，光場顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)高速三維成像贮缕。
當(dāng)前不足：
三維組織成像辙谜、像差校正、光毒性是當(dāng)前活體成像的三大難題感昼。光場顯微鏡雖然具有高速三維成像能力装哆，但是受到海森堡不確定性原理的限制，其空間分辨率與角度分辨率是一對矛盾量定嗓，無法同時獲得高空間分辨率和角度分辨率蜕琴。
文章創(chuàng)新點(diǎn)：
基于此，清華大學(xué)的Jiamin Wu(第1作者)和Qionghai Dai(通訊作者)等人受果蠅復(fù)眼和攝影中亞像素偏移手段的啟發(fā)宵溅，提出了一種數(shù)字自適應(yīng)掃描光場交互迭代層析顯微鏡(digital adaptive optical scanning light field mutual iterative tomography, DAOSLIMIT)技術(shù)凌简。其具有高速、高分辨率 3D 成像层玲、自適應(yīng)光學(xué)像差校正和低光毒性的優(yōu)勢号醉。可實(shí)現(xiàn) 225 X 225 X 16 um3 的體積成像辛块，橫向分辨率高達(dá) 220 nm畔派，軸向分辨率高達(dá) 400 nm，時間分辨率達(dá)毫秒級润绵，觀測時長可達(dá)小時級线椰。作者研究了不同物種的大規(guī)模細(xì)胞遷移和神經(jīng)活動，并觀察了哺乳動物在中性粒細(xì)胞遷移和腫瘤細(xì)胞循環(huán)過程中的各種亞細(xì)胞動力學(xué)尘盼。
（1） 開發(fā)了一種緊湊的掃描光場顯微鏡系統(tǒng)憨愉，該系統(tǒng)利用圖像平面的周期性漂移收集高分辨率的四維空間-角度信息(二維在角度域，二維在空域)卿捎，實(shí)現(xiàn)衍射極限分辨率圖像重建配紫。
（2） 提出數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)像差校正方法，應(yīng)對組織成像中存在光學(xué)像差的問題午阵。利用掃描光場顯微鏡不同角度測量之間的差異估計像差躺孝，然后通過數(shù)字平移角度圖像校正像差。相比傳統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)底桂，不需要波前傳感器或空間光調(diào)制器植袍。
原理解析：
（1）利用小尺寸微透鏡的衍射效應(yīng)，借鑒疊層成像的原理籽懦，通過二維振鏡周期性的掃描像平面于个，以犧牲時間分辨率為代價，同時獲得高的空間分辨率和角度分辨率暮顺。如圖1A和C所示厅篓。
（2）如圖1B和C秀存，不同分割孔徑上的線性相位調(diào)制對應(yīng)角度分量的空間平移败玉，使得不僅可以從角度測量之間的不一致估計空間非均勻像差靡努，也可以通過數(shù)字平移角度圖像來校正像差溅固。這一過程稱為數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)(DAO)躯保。交互迭代層析算法基于ADMM泣矛，集成了迭代波前估計和拼接像差(tiLED aberration)校正后體積重建跋涣，可以提高復(fù)雜場景成像的分辨率和信噪比护姆。（3）利用具有時間加權(quán)和時間循環(huán)的時空平滑先驗(yàn)算法诉探，緩解由運(yùn)動偽影和掃描引起的成像速度下降問題汇荐。DAOSLIMIT提供了時空域的一個周期性的稀疏采樣模式洞就。如圖1E，對于每一個角度分量掀淘，在一個掃描周期內(nèi)的局部時空域做反距離加權(quán)(這在地理學(xué)中經(jīng)常使用)旬蟋。通過一個滑行窗口的交錯重建(interleaved reconstruction)，可以得到高分辨率的延時角度分量革娄，幀率高至相機(jī)幀倾贰，且沒有運(yùn)動偽影，這種算法稱為時間加權(quán)算法拦惋，如圖1F所示匆浙。時間循環(huán)算法被開發(fā)用于視頻重建，以加速收斂厕妖。通過對以不同的速度移動的樣品成像首尼，驗(yàn)證了算法的有效性，速度可高至55像素/幀言秸，甚至非均勻運(yùn)動也適用软能。
視頻1：原理示意及實(shí)拍效果
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