光學相干顯微鏡和雙光子顯微鏡等非侵入性顯微技術通常用于活體組織的體內成像。當光通過生物組織等混濁材料時，會產生兩種類型的光：彈道光子和多重散射光子。彈道光子直接穿過物體而不經歷任何偏轉，因此用于重建物體圖像。另一方面，當光穿過材料時，通過隨機偏轉產生多重散射光子，并在重建圖像中顯示為散斑噪聲。隨著光傳播距離的增加，多重散射光子和彈道光子之間的比率急劇增加，從而模糊了圖像信息。

特別是骨組織具有許多復雜的內部結構，這些結構會導致嚴重的多重光散射和復雜的光學像差。當通過完整的頭骨對小鼠大腦進行光學成像時，由于強烈的散斑噪聲和圖像失真，神經系統的精細結構難以可視化。這在神經科學研究中是個問題，因為老鼠被廣泛用作模型生物。由于目前使用的成像技術的限制，顱骨必須被移除或變薄，以顯微鏡下研究腦組織的神經網絡。

因此，已經提出了其他解決方案來實現活組織的更深成像。例如，近年來，三光子顯微鏡已成功用于對小鼠顱骨下方的神經元進行成像。然而，三光子顯微鏡受到低激光重復率的限制，因為它采用紅外范圍內的激發窗口，這可能會在體內成像過程中損壞活體組織。它還具有過度的激發功率，這意味著與雙光子方法相比，光漂白更廣泛。

近日，韓國首爾基礎科學研究所（IBS）分子光譜與動力學中心CHOI Wonshik教授領導的研究團隊在深層組織光學成像方面取得重大突破。他們開發了一種新型光學顯微鏡，可以通過完整的小鼠頭骨成像，并在不損失空間分辨率的情況下獲取腦組織中神經網絡的顯微圖。

這種新型顯微鏡被稱為反射矩陣顯微鏡，它結合了硬件和計算自適應光學 (AO) 的強大功能，這是一項最初為地面天文學開發的用于校正光學像差的技術。傳統的共聚焦顯微鏡僅測量照明焦點處的反射信號并丟棄所有失焦光，而反射矩陣顯微鏡則記錄焦點以外位置的所有散射光子。然后使用一種稱為單散射閉環累積 (CLASS) 的新型 AO 算法對散射光子進行計算校正，該算法是該團隊于 2017 年開發的。該算法利用所有散射光來選擇性地提取彈道光并校正嚴重的光學像差。與最傳統的 AO 顯微鏡系統相比，需要類似亮點的反射器或熒光物體作為導星，類似于天文學中 AO 的使用，反射矩陣顯微鏡無需任何熒光標記且不依賴于目標的結構即可工作。此外，可以校正的像差模式數量是傳統 AO 系統的 10 倍以上。

反射矩陣顯微鏡的一大優勢在于，它可以直接與已經廣泛應用于生命科學領域的常規雙光子顯微鏡相結合。為了消除雙光子顯微鏡激發光束所經歷的像差，該團隊在反射矩陣顯微鏡內部署了基于硬件的自適應光學器件，以抵消小鼠頭骨的像差。他們通過拍攝小鼠頭骨后面神經元樹突棘的雙光子熒光圖像展示了新顯微鏡的功能，其空間分辨率接近衍射極限。通常，傳統的雙光子顯微鏡無法在不完全從顱骨中取出腦組織的情況下解析樹突棘的精細結構。這是一項意義非凡的成*，因為韓國小組通過完整的小鼠頭骨展示了神經網絡的**個高分辨率成像。這意味著現在可以研究處于最原始狀態的小鼠大腦。

進行這項研究的研究教授 YOON Seokchan 和研究生 LEE Hojun 說：“通過校正波前失真，我們可以將光能聚焦在活組織內的所需位置。” “我們的顯微鏡使我們能夠研究活組織深處的精細內部結構，這些結構無法通過任何其他方式解決。這將極大地幫助我們進行早期疾病診斷并加快神經科學研究。”

研究人員設定了下一個研究方向，以最小化顯微鏡的外形尺寸并提高其成像速度。目標是開發用于臨床的具有高成像深度的無標記反射矩陣顯微鏡。

CHOI Wonshik 副主任說：“反射矩陣顯微鏡是超越傳統光學顯微鏡限制的下一代技術。這將使我們能夠拓寬我們對光通過散射介質傳播的理解，并擴大光學顯微鏡的應用范圍。顯微鏡可以探索。”

轉載：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201202095148.htm