智能显微镜可捕捉细胞生命“瞬间”

　　物理学家罗伯特·普雷韦德尔制造的显微镜可以快速测量神经元活动，同时适应活体小鼠大脑的运动。图片来源：《自然》网站

　　智能显微镜日益受到科学家们的青睐，因为这些显微镜可以比以往任何时候都更深入地观察组织，并在关键时刻放大细节，捕捉细胞生命中稍纵即逝的瞬间。

　　自适应显微镜的“用武之地”

　　老鼠的心脏每分钟大约跳动600次。每跳动一次，血管中的血液就会震动大脑和其他器官。这种跳动不会给老鼠带来麻烦，但它确实给科学家们带来了挑战。

　　据英国《自然》杂志网站介绍，物理学家罗伯特·普雷韦德尔就面临这样的问题。他在欧洲分子生物学实验室设计和制造的显微镜或能解决这一难题。他试图探明：当器官本身移动时，如何捕捉大脑深处的神经活动。

　　通常情况下，显微镜很难观察到组织中超过一毫米的深度。除此之外，从细胞内结构反射的光会产生扭曲，即使样本没有随着心跳移动，图像也会变得模糊，更别提需要深入到活标本的几十或数百微米深处。这些，正是自适应显微镜能大显身手之处。

　　自适应光学系统最早是为天文学应用开发的，它使用由可变形膜而非刚性光学材料制成的镜子和透镜来引导光线。软件工具迅速改变薄膜的形状，以响应样品的变化。这种“样本自适应”的方法不需要人工操作，而是依靠显微镜本身实时调整光学系统，以持续产生高质量的图像。

　　2021年，普雷韦德尔和他的同事设计了一种智能显微镜，将一种名为三光子荧光成像的方法与自适应光学系统相结合，用于探测组织内部。研究小组在与心跳同步的情况下，对大脑表面下近1.5毫米处的海马体区域的细胞进行成像，这一区域比之前的研究深入了0.5毫米。

　　随着时空变化进行观察

　　英国剑桥MRC分子生物学实验室的发育生物学家凯特·麦克多尔开发了一种显微镜，研究随着小鼠胚胎的发育，细胞块如何形成复杂的组织。该团队希望在3天内对发育中的胚胎进行成像，在此期间，胚胎直径从大约200微米增长到近3毫米。麦克多尔说，胚胎固定在一端，可以“在微风中自由摇摆”，其密度和其他光学特性会随着时间的推移而变化，而“显微镜需要跟上这一切”。

　　麦克多尔团队从一种名为同步多视角光片显微镜的技术开始，改变了光学设计，并创建了软件来控制光源的角度和光学元件的位置等因素。该软件能够在收集图像时衡量胚胎的数据质量，并可以在整个实验过程中调整这些因素来优化图像。

　　显微镜还自动检测正在生长的胚胎在样本室中的位置，并将其保持在视野的中心，调整距离以确保图像质量前后一致。

　　麦克多尔团队使用这个系统观察小鼠胚胎48小时内的发育，以单细胞分辨率对胚胎心脏和其他发育中的器官进行成像。随后，他们对大脑类器官进行了长达两周的成像。“这就是智能显微镜的未来，即让显微镜决定何时何地以及如何对特定事件采取行动。”麦克多尔说，“你可以教显微镜这样做，比如，现在是凌晨3点，当这种细胞分裂发生时，我希望你将图像放大，然后恢复正常成像。”

　　深入亚细胞尺度捕捉瞬间

　　智能显微镜也被开发用于为更小的结构成像。例如，瑞典皇家理工学院的物理学家伊拉里亚·泰斯塔建造了一个装置，用来观察当神经细胞激活时，亚细胞囊泡在神经突触释放钙的过程，这是信号传递的关键一步。

　　“这些都是罕见的事件，捕捉它们并不容易。”特斯塔说。

　　一种选择是不停地对标本进行成像。但囊泡的释放是暂时的，其结构对于标准显微镜来说也太小了。超分辨率成像可以显示更多细节，但它需要高强度光源，这些光源只能在样品损坏之前短暂使用。该团队尝试了各种延时方法，以固定的时间间隔捕获图像。但特斯塔说，这就像是看了一场足球比赛，却错失了其中一个进球，因为你在关键时刻把目光投向了其他地方。

　　为了帮助他们将目光集中在“球”上，特斯塔团队结合了两种显微镜方法：荧光广域显微镜和一种被称为受激发射耗尽（STED）的超分辨率显微镜。他们开发了一个软件系统来控制这些显微镜模式：当软件检测到荧光发生变化时，系统会自动切换到更高分辨率的STED模式。这使得研究小组能够以纳米级的精度捕捉到细胞在释放钙后如何重组它们的突触小泡。

　　“我们基本上是在以更智能的方式引导图像的采集。”特斯塔说，“这种设置提高了效率，因为智能显微镜只捕捉到你真正关心的那几秒钟。”