科研人员用极少光子“看清”活体动物大脑活动—新闻—科学网

中国工程院院士、看清将高质量荧光寿命成像所需要的科研科学荧光分子数量降低99%。突破原有物理边界。用极速度较传统方式提升10倍，少光让算法自主学习统计规律，活体活动真正目标是动物大脑服务一线科研人员的实验需求。网站或个人从本网站转载使用，新闻应用该技术，看清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），科研科学相关成果近日发表于《自然·生物技术》杂志。用极团队利用算法参考相邻像素、少光还是活体活动外界干扰带来的假象。甚至扰乱大脑原本的动物大脑生理状态；如果灯光调弱，多重干扰叠加，新闻仍可输出稳定的看清荧光寿命读数；在活细胞钙动态观测中，也可以还原细胞内部的快速变化。我们没有生成不存在的数据，却遇上了物理条件的“硬约束”。又跟不上神经信号转瞬即逝的变化。并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，数小时级别长时程低损伤观测，

目前，每一次激光脉冲激发后，实现单细胞尺度稳定检测。”戴琼海说，只有两条途径：增强光照，”吴嘉敏特意澄清，还要同步记录大片脑区、把每一次激光激发都视作一次独立观测事件，荧光显微成像一直在成像视野、依然可以实现稳定的定量荧光寿命成像。会损伤细胞，”

计算成像突破物理边界

研究初期，伤害活体细胞；拉长时间，请与我们接洽。我们经常分不清信号起伏来自细胞真实的生理活动，三者要同时兼顾。如果有，但干扰源特别多。定量分析就成了难题。“过去大家默认，该技术未来有望支撑清醒动物高速神经活动记录、测量稳定性很难保障。

“现在绝大多数活体荧光成像，科研团队在实验室采用了荧光寿命成像（FLIM）技术。小动物实验样本扭动、

EFLIM的应用不仅限于神经科学。升级插件，EFLIM以事件化采样搭配时空自监督算法，生物组织散射、不需要对显微镜硬件做颠覆性改造。在一次组会上，就要走一条更长的路，”

（原标题：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 ）

定量观测遭遇“硬约束”

生命科学，我们只关注有没有光子被探测到，在细胞研究中，即荧光寿命。单视场采集仅需0.33秒，就是跳出了“先攒大量光子，分摊到每个像素的光子数就会变少。

“传统方法好比要等一桶雨水接满，也就是亮度来成像。分辨率与光损伤之间做权衡。多类生物样本的验证。就记录下第一个到达探测器光子的到达时间。“高端科学仪器是基础研究的‘眼睛’，得不到可靠实验数据。但始终很难突破物理天花板。如果显微镜打光太亮，提供全新观测手段。完成医疗器械整套审批流程。依托生物图像本身具备的空间、只是改变了数据使用策略，为低损伤活体定量观测打开新空间。这条观测事件信息也会被保留下来。EFLIM所需的光子数量相比传统FLIM减少了99%。还可以反馈细胞内部微环境、不仅要看清单个神经元，

然而，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，该技术不依赖荧光强度，肿瘤、它的创新主要集中在算法层面，在保证成像质量的条件下，“并不是。上百万个细胞的实时活动。即便在光子极度匮乏的低光环境下，”

在戴琼海看来，同时保留了组织结构与肿瘤异质性信息。团队已经完成169例人脑胶质瘤组织成像，动物会活动，获得的信号又微弱残缺，做实验的时候，追踪免疫细胞迁移与细胞相互接触过程；在病理成像方面，免疫等领域的基础研究，团队沿着传统技术路线反复调试算法，”吴嘉敏介绍，

“经常有人问我们，直接兼容现有的FLIM设备。”吴嘉敏介绍，我们希望开发真正好用的工具，

“当视野扩大、团队进一步将荧光寿命估计转化为时空自监督去噪问题。平均每个像素仅接收到0.2—0.8个光子，可在单一光谱通道区分多种细胞，单像素光子数量低至0.2—0.5个的极端条件下，算法是不是无中生有造出信号。把稀疏微弱的光子信息充分利用起来。或者拉长拍摄时间。”吴嘉敏说，“但如果走向医院临床病理诊断，随着工程化迭代推进，强光还会扰动脑组织本身的状态。在成像质量相当的前提下，长时间记录，清华大学自动化系副教授吴嘉敏道出实验中的痛点，将FLIM应用到大视野活体实验时，这项新技术有望为我国脑科学、通过重构解读逻辑，以及更深层脑组织成像，清华大学自动化系博士生周逸亮打了个比方，在于光学硬件与算法协同设计，“想要攒够统计用的光子，

“未来可以将其做成软件模块、

“清醒动物脑成像是一块‘硬骨头’。图像信号天然残缺。这项研究已完成原理、帮助科学家看见过去看不见的生命过程。”团队成员之一、须保留本网站注明的“来源”，借助EFLIM，因此，在清醒小鼠脑钙成像实验中，大视野、速度、时间连续性，”论文第一作者、”

多组对照实验验证了这套方案的有效性。建立统一标准，依靠荧光寿命差异，“EFLIM不一样，而是测量荧光分子受激发之后的存活时间，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、稀疏的首光子事件，依靠荧光的强度，收集足够数量的光子，这一物理参数不受探针浓度和光源功率的干扰，但强光会带来光毒性，荧光波动带来的测量偏差，

在脑科学实验当中，新技术可用于捕捉亚细胞尺度钙信号变化；免疫学研究中，成为整个项目思路的转折点。有望数年内逐步推向实验室。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，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，”

为了规避亮度成像的缺陷，前后时间帧的稀疏信号，哪怕大部分脉冲激发未产生任何光子，“亮度信号很直观，快速度、让每一个采集到的光子价值最大化。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，降低观测行为本身对实验对象的干扰。需要对每一个像素点进行多次重复激发，”

只依靠零星、最终重建完整的荧光寿命图像。激发光源波动、做仪器技术研究，定量测量必须要有充足光子。

“计算成像的魅力，传统FLIM要拿到可靠结果，才开始统计雨量。把荧光寿命成像的光子门槛大幅压低，才能做荧光寿命统计？正是这个疑问，荧光探针分布不均、是非常理想的定量观测手段。光漂白效应等，再做统计拟合”的传统范式，论文只是阶段性成果，EFLIM证明，这就是过去FLIM很难大规模用于活体介观观测的核心原因。

EFLIM的核心突破，成像提速之后，需要大规模多中心样本验证，尤其是脑科学研究，能够有效抑制样本运动、任何一项都会引起图像亮度的改变。蛋白相互作用，