物理學家羅伯特·普雷韋德爾制造的顯微鏡可以快速測量神經元活動，同時適應活體小鼠大腦的運動。圖片來源：《自然》網站

科技日報實習記者?張佳欣

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，并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》雜志網站介紹，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制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制成的鏡子和透鏡來引導光線。軟件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，用于探測組織內部。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，細胞塊如何形成復雜的組織。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，并創建了軟件來控制光源的角度和光學元件的位置等因素。該軟件能夠在收集圖像時衡量胚胎的數據質量，并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，并將其保持在視野的中心，調整距離以確保圖像質量前后一致。

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。隨后，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采取行動。”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，然后恢復正常成像。”

   深入亞細胞尺度捕捉瞬間

智能顯微鏡也被開發用于為更小的結構成像。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，捕捉它們并不容易。”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，其結構對于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 一個軟件系統來控制這些顯微鏡模式：當軟件檢測到熒光發生變化時，系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 胞在釋放鈣后如何重組它們的突觸小泡。

“我們基本上是在以更智能的方式引導圖像的采集。”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。”