智能顯微鏡可捕捉細胞生命「瞬間」
2023-02-22 15:48 作者：張佳欣 來源：科技日報 閱覽：
【今日視點】
智能顯微鏡日益受到科學家們的青睞，因為這些顯微鏡可以比以往任何時候都更深入地觀察組織，並在關鍵時刻放大細節，捕捉細胞生命中稍縱即逝的瞬間。
自適應顯微鏡的「用武之地」
老鼠的心臟每分鐘大約跳動600次。每跳動一次，血管中的血液就會震動大腦和其他器官。這種跳動不會給老鼠帶來麻煩，但它確實給科學家們帶來了挑戰。
據英國《自然》雜誌網站介紹，物理學家羅伯特·普雷韋德爾就面臨這樣的問題。他在歐洲分子生物學實驗室設計和製造的顯微鏡或能解決這一難題。他試圖探明：當器官本身移動時，如何捕捉大腦深處的神經活動。
通常情況下，顯微鏡很難觀察到組織中超過一毫米的深度。除此之外，從細胞內結構反射的光會產生扭曲，即使樣本沒有隨著心跳移動，圖像也會變得模糊，更別提需要深入到活標本的幾十或數百微米深處。這些，正是自適應顯微鏡能大顯身手之處。
自適應光學系統最早是為天文學應用開發的，它使用由可變形膜而非剛性光學材料製成的鏡子和透鏡來引導光線。軟體工具迅速改變薄膜的形狀，以響應樣品的變化。這種「樣本自適應」的方法不需要人工操作，而是依靠顯微鏡本身實時調整光學系統，以持續產生高質量的圖像。
2021年，普雷韋德爾和他的同事設計了一種智能顯微鏡，將一種名為三光子熒光成像的方法與自適應光學系統相結合，用於探測組織內部。研究小組在與心跳同步的情況下，對大腦表面下近1.5毫米處的海馬體區域的細胞進行成像，這一區域比之前的研究深入了0.5毫米。
隨著時空變化進行觀察
英國劍橋MRC分子生物學實驗室的發育生物學家凱特·麥克多爾開發了一種顯微鏡，研究隨著小鼠胚胎的發育，細胞塊如何形成複雜的組織。該團隊希望在3天內對發育中的胚胎進行成像，在此期間，胚胎直徑從大約200微米增長到近3毫米。麥克多爾說，胚胎固定在一端，可以 「在微風中自由搖擺」，其密度和其他光學特性會隨著時間的推移而變化，而「顯微鏡需要跟上這一切」。
麥克多爾團隊從一種名為同步多視角光片顯微鏡的技術開始，改變了光學設計，並創建了軟體來控制光源的角度和光學元件的位置等因素。該軟體能夠在收集圖像時衡量胚胎的數據質量，並可以在整個實驗過程中調整這些因素來優化圖像。
顯微鏡還自動檢測正在生長的胚胎在樣本室中的位置，並將其保持在視野的中心，調整距離以確保圖像質量前後一致。
麥克多爾團隊使用這個系統觀察小鼠胚胎48小時內的發育，以單細胞分辨率對胚胎心臟和其他發育中的器官進行成像。隨後，他們對大腦類器官進行了長達兩周的成像。「這就是智能顯微鏡的未來，即讓顯微鏡決定何時何地以及如何對特定事件採取行動。」麥克多爾說，「你可以教顯微鏡這樣做，比如，現在是凌晨3點，當這種細胞分裂發生時，我希望你將圖像放大，然後恢復正常成像。」
深入亞細胞尺度捕捉瞬間
智能顯微鏡也被開發用於為更小的結構成像。例如，瑞典皇家理工學院的物理學家伊拉里亞·泰斯塔建造了一個裝置，用來觀察當神經細胞激活時，亞細胞囊泡在神經突觸釋放鈣的過程，這是信號傳遞的關鍵一步。
「這些都是罕見的事件，捕捉牠們並不容易。」特斯塔說。
一種選擇是不停地對標本進行成像。但囊泡的釋放是暫時的，其結構對於標準顯微鏡來說也太小了。超分辨率成像可以顯示更多細節，但它需要高強度光源，這些光源只能在樣品損壞之前短暫使用。該團隊嘗試了各種延時方法，以固定的時間間隔捕獲圖像。但特斯塔說，這就像是看了一場足球比賽，卻錯失了其中一個進球，因為你在關鍵時刻把目光投向了其他地方。
為了幫助他們將目光集中在「球」上，特斯塔團隊結合了兩種顯微鏡方法：熒光廣域顯微鏡和一種被稱為受激發射耗盡（STED）的超分辨率顯微鏡。他們開發了一個軟體系統來控制這些顯微鏡模式：當軟體檢測到熒光發生變化時，係統會自動切換到更高分辨率的STED模式。這使得研究小組能夠以納米級的精度捕捉到細胞在釋放鈣後如何重組牠們的突觸小泡。
「我們基本上是在以更智能的方式引導圖像的採集。」特斯塔說，「這種設置提高了效率，因為智能顯微鏡只捕捉到你真正關心的那幾秒鐘。」
智能顯微鏡日益受到科學家們的青睞，因為這些顯微鏡可以比以往任何時候都更深入地觀察組織，並在關鍵時刻放大細節，捕捉細胞生命中稍縱即逝的瞬間。
自適應顯微鏡的「用武之地」
老鼠的心臟每分鐘大約跳動600次。每跳動一次，血管中的血液就會震動大腦和其他器官。這種跳動不會給老鼠帶來麻煩，但它確實給科學家們帶來了挑戰。
據英國《自然》雜誌網站介紹，物理學家羅伯特·普雷韋德爾就面臨這樣的問題。他在歐洲分子生物學實驗室設計和製造的顯微鏡或能解決這一難題。他試圖探明：當器官本身移動時，如何捕捉大腦深處的神經活動。
通常情況下，顯微鏡很難觀察到組織中超過一毫米的深度。除此之外，從細胞內結構反射的光會產生扭曲，即使樣本沒有隨著心跳移動，圖像也會變得模糊，更別提需要深入到活標本的幾十或數百微米深處。這些，正是自適應顯微鏡能大顯身手之處。
自適應光學系統最早是為天文學應用開發的，它使用由可變形膜而非剛性光學材料製成的鏡子和透鏡來引導光線。軟體工具迅速改變薄膜的形狀，以響應樣品的變化。這種「樣本自適應」的方法不需要人工操作，而是依靠顯微鏡本身實時調整光學系統，以持續產生高質量的圖像。
2021年，普雷韋德爾和他的同事設計了一種智能顯微鏡，將一種名為三光子熒光成像的方法與自適應光學系統相結合，用於探測組織內部。研究小組在與心跳同步的情況下，對大腦表面下近1.5毫米處的海馬體區域的細胞進行成像，這一區域比之前的研究深入了0.5毫米。
隨著時空變化進行觀察
英國劍橋MRC分子生物學實驗室的發育生物學家凱特·麥克多爾開發了一種顯微鏡，研究隨著小鼠胚胎的發育，細胞塊如何形成複雜的組織。該團隊希望在3天內對發育中的胚胎進行成像，在此期間，胚胎直徑從大約200微米增長到近3毫米。麥克多爾說，胚胎固定在一端，可以 「在微風中自由搖擺」，其密度和其他光學特性會隨著時間的推移而變化，而「顯微鏡需要跟上這一切」。
麥克多爾團隊從一種名為同步多視角光片顯微鏡的技術開始，改變了光學設計，並創建了軟體來控制光源的角度和光學元件的位置等因素。該軟體能夠在收集圖像時衡量胚胎的數據質量，並可以在整個實驗過程中調整這些因素來優化圖像。
顯微鏡還自動檢測正在生長的胚胎在樣本室中的位置，並將其保持在視野的中心，調整距離以確保圖像質量前後一致。
麥克多爾團隊使用這個系統觀察小鼠胚胎48小時內的發育，以單細胞分辨率對胚胎心臟和其他發育中的器官進行成像。隨後，他們對大腦類器官進行了長達兩周的成像。「這就是智能顯微鏡的未來，即讓顯微鏡決定何時何地以及如何對特定事件採取行動。」麥克多爾說，「你可以教顯微鏡這樣做，比如，現在是凌晨3點，當這種細胞分裂發生時，我希望你將圖像放大，然後恢復正常成像。」
深入亞細胞尺度捕捉瞬間
智能顯微鏡也被開發用於為更小的結構成像。例如，瑞典皇家理工學院的物理學家伊拉里亞·泰斯塔建造了一個裝置，用來觀察當神經細胞激活時，亞細胞囊泡在神經突觸釋放鈣的過程，這是信號傳遞的關鍵一步。
「這些都是罕見的事件，捕捉牠們並不容易。」特斯塔說。
一種選擇是不停地對標本進行成像。但囊泡的釋放是暫時的，其結構對於標準顯微鏡來說也太小了。超分辨率成像可以顯示更多細節，但它需要高強度光源，這些光源只能在樣品損壞之前短暫使用。該團隊嘗試了各種延時方法，以固定的時間間隔捕獲圖像。但特斯塔說，這就像是看了一場足球比賽，卻錯失了其中一個進球，因為你在關鍵時刻把目光投向了其他地方。
為了幫助他們將目光集中在「球」上，特斯塔團隊結合了兩種顯微鏡方法：熒光廣域顯微鏡和一種被稱為受激發射耗盡（STED）的超分辨率顯微鏡。他們開發了一個軟體系統來控制這些顯微鏡模式：當軟體檢測到熒光發生變化時，係統會自動切換到更高分辨率的STED模式。這使得研究小組能夠以納米級的精度捕捉到細胞在釋放鈣後如何重組牠們的突觸小泡。
「我們基本上是在以更智能的方式引導圖像的採集。」特斯塔說，「這種設置提高了效率，因為智能顯微鏡只捕捉到你真正關心的那幾秒鐘。」
