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圖1： 深度學(xué)習(xí)光場(chǎng)顯微成像新技術(shù)(a, b)實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)行為(c, d)，血流(e, f)，心跳 (g, h)等毫秒級(jí)動(dòng)態(tài)生命過程的高速三維成像。
 

　　在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：21874052、21927802)的資助下，華中科技大學(xué)費(fèi)鵬教授課題組及合作團(tuán)隊(duì)在生物光學(xué)成像的研究取得系列進(jìn)展。繼此前的超分辨成像算法和高通量三維成像技術(shù)的研究成果于2020年11月和2021年1月先后在Optica和Nature Communications上推出后，團(tuán)隊(duì)新的快速動(dòng)態(tài)成像技術(shù)以“基于深度學(xué)習(xí)光場(chǎng)顯微術(shù)的實(shí)時(shí)三維生物動(dòng)態(tài)過程重建(Real-time volumetric reconstruction of biological dynamics with light-field microscopy and deep learning)”為題,于2021年2月12日在《自然·方法學(xué)》 (Nature Methods)上發(fā)表。
 

　　對(duì)生命活動(dòng)的重要現(xiàn)象,如心跳、血流、神經(jīng)行為等進(jìn)行高特異性顯微觀測(cè)的關(guān)鍵在于對(duì)毫秒級(jí)三維動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行快速且精準(zhǔn)的捕捉。目前主流的光學(xué)顯微成像技術(shù)，如共聚焦、雙光子、光片顯微鏡均需通過軸向掃描獲得多幀圖像后,重建信號(hào)的空間分布，因而三維成像的速率常被限制在秒至分鐘級(jí)，對(duì)動(dòng)態(tài)生物學(xué)過程的觀測(cè)非常困難。
 

　　針對(duì)上述問題，該團(tuán)隊(duì)提出一種基于深度學(xué)習(xí)的光場(chǎng)顯微成像方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)過程的長(zhǎng)時(shí)程、快速、高分辨的三維觀測(cè)。該研究構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)記錄的單幀二維光場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)重建出信號(hào)的動(dòng)態(tài)三維分布，突破了目前三維成像技術(shù)因光學(xué)通量的限制而導(dǎo)致的高速和精準(zhǔn)難以兼顧的問題，以單細(xì)胞分辨率捕捉了活體樣本的毫秒級(jí)三維動(dòng)態(tài)生物學(xué)過程，且二-三維圖像轉(zhuǎn)換的速度可達(dá)數(shù)十體積每秒，成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)重建。利用該技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步對(duì)自由運(yùn)動(dòng)線蟲行為、斑馬魚心跳血流等高度動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了快且精準(zhǔn)的三維熒光成像，并完成了定量的神經(jīng)活性和心臟血流動(dòng)力學(xué)分析，使該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)。該研究成果極大地促進(jìn)了光學(xué)顯微鏡的性能突破，對(duì)神經(jīng)學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的交叉研究亦有促進(jìn)作用。