一種緊湊型高速光片顯微鏡實(shí)現(xiàn)從亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)到厘米級(jí)樣本的多尺度成像

光片熒光顯微鏡（LSFM）在成像大型清除組織方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但其在厘米級(jí)樣本上實(shí)現(xiàn)高各向同性分辨率常受限于掃描速度慢和像差問題。本文介紹了一種緊湊型高速光片顯微鏡，通過軸向掃描光片技術(shù)，結(jié)合像差校正設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在折射率1.33至1.56的清除組織中達(dá)到850納米各向同性分辨率，樣本尺寸可達(dá)1立方厘米。該系統(tǒng)利用商用光學(xué)元件，如空氣物鏡和彎月透鏡，通過凹面鏡校正光片場(chǎng)曲，并將成像速度提升至每秒100幀，顯著提高了大樣本高分辨率成像的效率和精度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證覆蓋了從亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)到厘米級(jí)樣本的多尺度成像，展示了在神經(jīng)科學(xué)和血管研究中的廣泛應(yīng)用潛力。

本研究成果由Mostafa Aakhte、Gesine F. Miller、Lennart Roos、Joe Li、Torben Gopel、Kurt R. Weiss、Aleyna M. Diniz、Jan Wenzel、Markus Schwaninger、Tobias Moser和Jan Huisken共同完成，論文題為“Isotropic, aberration-corrected light sheet microscopy for rapid high-resolution imaging of cleared tissue”，于2025年11月在《Nature Biotechnology》期刊在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01核心貢獻(xiàn)
本研究開發(fā)了一種新型光片顯微鏡，核心突破在于實(shí)現(xiàn)了高速、各向同性的高分辨率成像。傳統(tǒng)光片顯微鏡在成像大型清除組織時(shí)，軸向分辨率往往低于橫向分辨率，且受像差影響嚴(yán)重。本系統(tǒng)通過軸向掃描光片顯微鏡（ASLM）框架，結(jié)合像差校正技術(shù)，將分辨率提升至850納米各向同性，覆蓋樣本尺寸達(dá)1立方厘米，折射率兼容范圍廣（1.33-1.56）。這一成果解決了大樣本成像中分辨率與速度難以兼顧的難題，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了強(qiáng)大工具。

場(chǎng)曲校正是另一大創(chuàng)新。通過將ASLM單元中的平面鏡替換為凹面鏡，光片場(chǎng)曲從20微米降至1微米以內(nèi)，使有效視野擴(kuò)大一倍。實(shí)驗(yàn)通過成像200納米金納米顆粒測(cè)量點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF），驗(yàn)證了各向同性分辨率在全視野的均勻性。

速度優(yōu)化方面，系統(tǒng)引入閉路反饋控制語(yǔ)音線圈運(yùn)動(dòng)，通過位置傳感設(shè)備（PSD）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并校正掃描波形，將成像速度提升至100幀/秒。實(shí)驗(yàn)以清除小鼠腦組織為例，在40赫茲下實(shí)現(xiàn)了亞微米級(jí)血管結(jié)構(gòu)清晰成像，證明了高速下的分辨率穩(wěn)定性。

結(jié)論表明，該系統(tǒng)在保持各向同性分辨率的同時(shí)，顯著提升了成像速度和視野范圍，為連接組學(xué)、血管網(wǎng)絡(luò)研究提供了可靠平臺(tái)。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破的成像難題
傳統(tǒng)光片顯微鏡在大型清除組織成像中面臨三大挑戰(zhàn)：各向異性分辨率、像差導(dǎo)致的視野邊緣質(zhì)量下降以及低速掃描限制吞吐量。本研究通過創(chuàng)新光學(xué)設(shè)計(jì)，一舉攻克這些難題。首先，軸向掃描光片技術(shù)將軸向分辨率提升至與橫向分辨率一致，實(shí)現(xiàn)了真正的各向同性成像。其次，球差和場(chǎng)曲校正技術(shù)消除了像差影響，使衍射極限性能覆蓋全視野。最后，語(yǔ)音線圈閉路控制將成像速度推至100幀/秒，遠(yuǎn)超此前技術(shù)的10赫茲上限，為大樣本高通量成像奠定基礎(chǔ)。

03生物醫(yī)療價(jià)值
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全器官亞微米結(jié)構(gòu)無(wú)損成像。例如，小鼠耳蝸連接組學(xué)分析中，能夠精確計(jì)數(shù)神經(jīng)元突觸，推動(dòng)聽覺機(jī)制研究；小鼠腦血管成像可量化動(dòng)脈分支形態(tài)，為血管病變提供新見解。技術(shù)兼容多種清除方法（如3DISCO、EZ Clear），支持多色標(biāo)記，在發(fā)育生物學(xué)和疾病模型中具有廣泛應(yīng)用前景。

總結(jié)與展望
本研究成功開發(fā)了一種高速、各向同性校正的光片顯微鏡，通過像差控制和掃描優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了清除組織的高分辨率快速成像。系統(tǒng)在厘米級(jí)樣本上達(dá)到850納米各向同性分辨率，折射率兼容范圍廣，成像速度達(dá)100幀/秒，為生物大樣本研究樹立了新標(biāo)桿。未來(lái)，該技術(shù)可進(jìn)一步整合多方向照明以減弱條紋偽影，或結(jié)合智能旋轉(zhuǎn)優(yōu)化成像角度，提升復(fù)雜組織適用性。隨著sCMOS相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，成像速度有望繼續(xù)突破，推動(dòng)其在臨床診斷和動(dòng)態(tài)觀察中的應(yīng)用。這一成果不僅深化了對(duì)生物結(jié)構(gòu)的理解，也為光學(xué)成像領(lǐng)域提供了可推廣的低成本解決方案。

DOI:10.1038/s41587-025-02882-8.