《自然·方法學》報道費鵬課題組生物動態光學成像研究新進展

作者: 时间:2021-02-11 点击数:


生命現象中許多重要的過程,例如心跳、血流、神經活動等,常常是高度動態的,在三維空間尺度和短至毫秒級的時間尺度發生變化。對這些動態過程進行快速,高分辨率的顯微觀測則是一項極具意義但又極富挑戰的工作,其進展對于神經科學、心髒病學、細胞生物學等領域的研究起到重要的推動作用。目前主流的光學顯微成像技術,如共聚焦、雙光子、光片顯微鏡均需通過軸向掃描獲取多幀平面圖像來重建三維信號,因此體成像的速率通常被限制在秒至分鍾級,難以捕捉動態生物學過程。

針對上述問題,本院費鵬課題組聯合生科院高尚邦課題組及加州大學洛杉矶分校Tzung Hsiai課題組,于211日在國際著名期刊Nature Methods上發表了題爲“Real-time volumetric reconstruction of biological dynamics with light-field microscopy and deep learning”的研究論文,提出一種基于深度學習的光場成像方法,實現了對動態過程的長時程、快速、高分辨率的三維觀測

                                            

該研究使用無需掃描的光場三維顯微術,以百赫茲幀率記錄樣本的動態過程,同時首創一種基于深度學習的視角-通道-深度(view-channel-depth, VCD) 信息轉換神經網絡,可從記錄的二維光場圖像序列中複原出信號時變的三維分布,進而實時重建出三維的快速動態過程。該方法突破了目前三維成像技術因空間帶寬積(光學通量)的限制而導致的快速和精准難以兼顧的問題,成功以單細胞分辨率捕捉了活體樣本的毫秒級三維動態生物學過程,且二-三維圖像重建的速度高達數十體積每秒,實時性高。基于此技術,費鵬課題組和高尚邦課題組展開合作,以100 Hz的體速率對自由運動線蟲的神經活動和行爲進行了觀測。重建的三維圖像視頻能清晰分辨單個神經元的強度和空間位置的變化(圖1a)。得益于單細胞精度及毫秒級成像速率,研究者們定量揭示了線蟲運動神經元鈣信號波動趨勢與其行爲(速度、行爲模式)之間的關系,爲線蟲神經行爲提供了重要參考。費鵬課題組還進一步與Hsiai課題組合作展示了該技術在信號標記更稠密的活體斑馬魚心跳血流成像上的應用(圖1b),以200 Hz體速率重建出心肌跳動和血細胞流動的瞬態信號,並完成對應的定量心髒血流動力學分析。

1. 深度學習光場成像在單細胞水平捕捉自由運動線蟲行爲,斑馬魚胚胎心肌跳動,和血細胞流動等高速動態過程

简言之,该研究发展了一种新型的光场显微技術,可观测目前显微镜难以清晰捕捉的毫秒级动态生物学过程。通过对自由运动线虫行为、斑马鱼心跳血流的快且精准的成像及基于此完成的定量生物学分析,该技術的性能优势和在生命科學研究中的应用前景得到了充分体现。


我院18屆本科畢業生汪兆強(現加州大學洛杉矶分校博士生),18級博士生朱蘭馨,19級博士生張皓爲論文共同第一作者。我院費鵬教授,生科院高尚邦教授及加州大學洛杉矶分校醫學院Hsiai教授为论文共同通讯作者。本研究在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、基金委重点國際合作项目、武汉光电国家研究中心WNLO創新基金及National Institute of Health (NIH) 基金的多方資助下開展和完成。


論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41592-021-01058-x


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