MPAO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與功用

通過(guò)放大或縮小，瞳孔可以調(diào)節(jié)進(jìn)入眼球的光線，使人眼的通光量保持在最合理的范圍。美國(guó)普渡大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院Meng Cui教授通過(guò)利用格奧光電生產(chǎn)的棱鏡組件，發(fā)明了一種實(shí)現(xiàn)?“多瞳孔”?功能的大視場(chǎng)自適應(yīng)光學(xué)顯微成像系統(tǒng)（Multi-Pupil Adaptive Optics, MPAO），高速、高清、同步測(cè)量神經(jīng)元數(shù)據(jù)點(diǎn)，每秒可測(cè)2-3千萬(wàn)個(gè)，并可拍攝持續(xù)活躍的大量腦細(xì)胞的高清延時(shí)照片，大視場(chǎng)記錄腦細(xì)胞生物進(jìn)程持續(xù)變化的細(xì)節(jié)。

因?yàn)榇竽X內(nèi)細(xì)胞和生物組織是不同結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的復(fù)雜結(jié)合體，所以折射率千變?nèi)f化。當(dāng)光穿過(guò)這些細(xì)胞或生物組織時(shí)，會(huì)產(chǎn)生模糊的像，就像汽車擋風(fēng)玻璃上的雨滴一樣。傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能糾正這種光的畸變，但它的視場(chǎng)有限，整張畫面只能用一個(gè)區(qū)域的波前校正測(cè)量結(jié)果。而且受制于空間層面的波前畸變變化太大，成像速度也慢，一處波前校正成功，下一處卻不一定，甚至可能破壞下一區(qū)域的畫質(zhì)。

較之傳統(tǒng)方法，Meng Cui教授的這一MPAO成像系統(tǒng)可以在不同區(qū)域進(jìn)行同步校正，以便研究者同時(shí)觀察眾多細(xì)胞或生物組織，并讓同步波前校正面積增加了9倍之多，進(jìn)一步助益哺乳動(dòng)物大腦3D空間成像的探索與發(fā)現(xiàn)。研究者可以利用這一新系統(tǒng)在諸多方面進(jìn)行成像，如小神經(jīng)膠質(zhì)這類大腦細(xì)胞、神經(jīng)元鈣信號(hào)處理、大腦中的脈管系統(tǒng)、樹突棘、腦細(xì)胞中對(duì)于學(xué)習(xí)和溝通至關(guān)重要的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)等。

MPAO系統(tǒng)是如何設(shè)計(jì)的？

這套系統(tǒng)的光學(xué)件主要由可變形的多面球反射鏡（用于抵消光通過(guò)生物組織時(shí)產(chǎn)生的變形），3x3分布的高透、多面棱鏡組（棱鏡的不同面可用于對(duì)顯微鏡視場(chǎng)的不同角度進(jìn)行成像），中繼鏡組（對(duì)像進(jìn)行放大或縮小）等。不同于傳統(tǒng)的自適應(yīng)系統(tǒng)，Meng Cui教授團(tuán)隊(duì)在兩對(duì)中繼鏡之前的焦平面上插入了兩對(duì)棱鏡組，以在空間光調(diào)制器上產(chǎn)生一組二維的瞳孔圖像。激光掃描振鏡的直徑是5毫米，由中繼鏡1和中繼鏡2按11：15的比例縮小，然后再由中繼鏡3和中繼鏡4按50：11的比例放大。最后，物鏡（尼康25X，數(shù)值孔徑1.1，完整光瞳17.6毫米）光瞳面的光束直徑是16.7毫米，產(chǎn)生的有效數(shù)值孔徑是1.04。

其中，格奧替這個(gè)項(xiàng)目（由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院及普渡大學(xué)資助）所定制生產(chǎn)的高透過(guò)棱鏡（見下圖3x3棱鏡組的3D渲染圖），其每個(gè)小面面積是9.375x9.375平方毫米，中心面與紫色面的夾角是31.5度，與綠色面的夾角是23.4度。棱鏡組的中心厚度是10毫米。每個(gè)面對(duì)應(yīng)一個(gè)150x150平方微米的成像面積，那3x3棱鏡組的成像面積450x450平方微米。通過(guò)把這些熔融石英棱鏡組浸入與之折射率相匹配的浸液（Cargille激光浸液，編碼1074 & 3421），調(diào)整光束傾斜角。利用兩種折射率不同的浸液（一個(gè)折射率高于該棱鏡組，一個(gè)折射率低于該棱鏡組），形成一個(gè)互補(bǔ)的棱鏡組，一個(gè)棱鏡組的傾斜角被另一個(gè)棱鏡組抵消。

展望

如今，腦科學(xué)的研究當(dāng)屬最前沿的科技領(lǐng)域之一，它不僅關(guān)系到診斷、治療與腦部相關(guān)的疾病，還與人工智能、仿生學(xué)、腦機(jī)接口等前沿領(lǐng)域高度相關(guān)。日新月異的腦科學(xué)發(fā)展，離不開一批又一批的科研工作者精益求精地探索未知。這種大視場(chǎng)自適應(yīng)光學(xué)顯微成像技術(shù)，也有其提升空間。通過(guò)將格奧提供的這批3x3的棱鏡組，在水平及豎直方向各增加3列，變成6x6的棱鏡組，或許就是腦成像方面下一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

原文鏈接： Large-field-of-view imaging by Multi-Pupil Adaptive Optics - PMC (nih.gov)