科研人员开发荧光显微成像新技术——用极少光子“看清”活体动物大脑活动

来源：滚动播报

（来源：千龙网）

在脑科学实验当中，科研人员常面临一个困境：想要看清活体动物大脑中大量神经元的活动，如果显微镜打光太亮，会损伤细胞，甚至扰乱大脑原本的生理状态；如果灯光调弱，获得的信号又微弱残缺，得不到可靠实验数据。

中国工程院院士、清华大学自动化系教授戴琼海团队为这一问题给出新解法——研发首光子事件感知荧光寿命成像方法（EFLIM），在保证成像质量的条件下，将高质量荧光寿命成像所需要的荧光分子数量降低99%。应用该技术，即便在光子极度匮乏的低光环境下，依然可以实现稳定的定量荧光寿命成像。相关成果近日发表于《自然·生物技术》杂志。

定量观测遭遇“硬约束”

生命科学，尤其是脑科学研究，对显微镜成像技术提出了很高现实要求：在介观尺度进行活体成像，不仅要看清单个神经元，还要同步记录大片脑区、上百万个细胞的实时活动。大视野、快速度、长时间记录，三者要同时兼顾。

“现在绝大多数活体荧光成像，依靠荧光的强度，也就是亮度来成像。”团队成员之一、清华大学自动化系副教授吴嘉敏道出实验中的痛点，“亮度信号很直观，但干扰源特别多。荧光探针分布不均、激发光源波动、生物组织散射、小动物实验样本扭动、光漂白效应等，任何一项都会引起图像亮度的改变。做实验的时候，我们经常分不清信号起伏来自细胞真实的生理活动，还是外界干扰带来的假象。定量分析就成了难题。”

为了规避亮度成像的缺陷，科研团队在实验室采用了荧光寿命成像（FLIM）技术。该技术不依赖荧光强度，而是测量荧光分子受激发之后的存活时间，即荧光寿命。这一物理参数不受探针浓度和光源功率的干扰，还可以反馈细胞内部微环境、蛋白相互作用，是非常理想的定量观测手段。

然而，将FLIM应用到大视野活体实验时，却遇上了物理条件的“硬约束”。传统FLIM要拿到可靠结果，需要对每一个像素点进行多次重复激发，收集足够数量的光子，再通过统计直方图计算荧光寿命。

“当视野扩大、成像提速之后，分摊到每个像素的光子数就会变少。”吴嘉敏介绍，“想要攒够统计用的光子，只有两条途径：增强光照，或者拉长拍摄时间。但强光会带来光毒性，伤害活体细胞；拉长时间，又跟不上神经信号转瞬即逝的变化。这就是过去FLIM很难大规模用于活体介观观测的核心原因。”

计算成像突破物理边界

研究初期，团队沿着传统技术路线反复调试算法，但始终很难突破物理天花板。在一次组会上，研究人员提出一个关键的问题：是不是必须攒够一大堆光子，才能做荧光寿命统计？正是这个疑问，成为整个项目思路的转折点。

EFLIM的核心突破，就是跳出了“先攒大量光子，再做统计拟合”的传统范式，把每一次激光激发都视作一次独立观测事件，把稀疏微弱的光子信息充分利用起来。

“传统方法好比要等一桶雨水接满，才开始统计雨量。”论文第一作者、清华大学自动化系博士生周逸亮打了个比方，“EFLIM不一样，每一次激光脉冲激发后，我们只关注有没有光子被探测到，如果有，就记录下第一个到达探测器光子的到达时间。哪怕大部分脉冲激发未产生任何光子，这条观测事件信息也会被保留下来。”

只依靠零星、稀疏的首光子事件，图像信号天然残缺。因此，团队进一步将荧光寿命估计转化为时空自监督去噪问题。依托生物图像本身具备的空间、时间连续性，团队利用算法参考相邻像素、前后时间帧的稀疏信号，让算法自主学习统计规律，最终重建完整的荧光寿命图像。

“经常有人问我们，算法是不是无中生有造出信号。”吴嘉敏特意澄清，“并不是。我们没有生成不存在的数据，只是改变了数据使用策略，让每一个采集到的光子价值最大化。”

多组对照实验验证了这套方案的有效性。在成像质量相当的前提下，EFLIM所需的光子数量相比传统FLIM减少了99%。在清醒小鼠脑钙成像实验中，平均每个像素仅接收到0.2—0.8个光子，仍可输出稳定的荧光寿命读数；在活细胞钙动态观测中，单像素光子数量低至0.2—0.5个的极端条件下，也可以还原细胞内部的快速变化。

“计算成像的魅力，在于光学硬件与算法协同设计，突破原有物理边界。”戴琼海说，“过去大家默认，定量测量必须要有充足光子。EFLIM证明，通过重构解读逻辑，极少光子同样可以实现高精度定量成像。”

多领域应用潜力巨大

长期以来，荧光显微成像一直在成像视野、速度、分辨率与光损伤之间做权衡。EFLIM以事件化采样搭配时空自监督算法，把荧光寿命成像的光子门槛大幅压低，为低损伤活体定量观测打开新空间。随着工程化迭代推进，这项新技术有望为我国脑科学、肿瘤、免疫等领域的基础研究，提供全新观测手段。

“清醒动物脑成像是一块‘硬骨头’。动物会活动，神经信号变化极快，强光还会扰动脑组织本身的状态。多重干扰叠加，测量稳定性很难保障。”吴嘉敏介绍，借助EFLIM，光照剂量被大幅压低，能够有效抑制样本运动、荧光波动带来的测量偏差，实现单细胞尺度稳定检测。该技术未来有望支撑清醒动物高速神经活动记录、数小时级别长时程低损伤观测，以及更深层脑组织成像，降低观测行为本身对实验对象的干扰。

EFLIM的应用不仅限于神经科学。在细胞研究中，新技术可用于捕捉亚细胞尺度钙信号变化；免疫学研究中，依靠荧光寿命差异，可在单一光谱通道区分多种细胞，追踪免疫细胞迁移与细胞相互接触过程；在病理成像方面，团队已经完成169例人脑胶质瘤组织成像，单视场采集仅需0.33秒，速度较传统方式提升10倍，同时保留了组织结构与肿瘤异质性信息。

目前，这项研究已完成原理、算法、多类生物样本的验证。它的创新主要集中在算法层面，不需要对显微镜硬件做颠覆性改造。

“未来可以将其做成软件模块、升级插件，直接兼容现有的FLIM设备。科研仪器的转化路径相对更近，有望数年内逐步推向实验室。”吴嘉敏说，“但如果走向医院临床病理诊断，就要走一条更长的路，需要大规模多中心样本验证，建立统一标准，完成医疗器械整套审批流程。”

在戴琼海看来，做仪器技术研究，论文只是阶段性成果，真正目标是服务一线科研人员的实验需求。“高端科学仪器是基础研究的‘眼睛’，我们希望开发真正好用的工具，帮助科学家看见过去看不见的生命过程。”