长期活体亚细胞成像的突破：共聚焦扫描光场显微镜技术研究

研究背景

活体长期细胞动态观测在研究如免疫反应及大脑功能等生理病理过程中不可或缺，要求高时空分辨率以及低光毒性。已有共焦显微技术通过光学切片排除背景荧光，并提高信噪比，然而难以在并行化处理、分辨率和光毒性间取得平衡。光场显微镜虽然提升了并行化处理且光毒性低，但在排除背景方面却存在不足。

“共聚焦扫描光场显微镜（Confocal Scanning Light-Field Microscopy, CSLFM）”采用轴向延长的线性共焦照明和滚动快门，进一步提升了三维（3D）成像质量、速度和低光毒性。研究中，CSLFM 达到了与双光子显微镜类似的定向选择性，有助于解码神经机制，并可在光学挑战的环境下观察亚细胞动态。

本文将详细阐释该研究的全流程以及其带来的科学及应用价值，对于背景抑制、高信噪比（SNR）、低光毒性及其他方面的贡献。

文章来源及作者团队

该研究由鲁智、左思清、史明辉、樊佳琦、谢静宇、肖桂华、于力、吴佳敏和代琼海等多名科学家共同完成。研究团队来自清华大学自动化系、脑与认知科学高等研究院、北京多维多尺度计算摄影学重点实验室，同时涉及IDG/麦戈文脑科学研究院、浙江禾沐科技、杭州卓熙生物与智能研究院、清华大学-北京大学生命科学联合中心、清华深圳国际研究生院、上海人工智能实验室和清华大学北京信息科学与技术国家研究中心。文章发表在《自然生物技术》杂志上。

研究内容

a) 研究流程

研究共包括4个主要程序：研究设计、样本准备、实验执行和数据分析。团队设计了基于滚动快门的线性共焦照明系统，并构建了倒置与立式两种CSLFM系统。实验对象包括不同物种（小鼠、果蝇）和组织类型，应用CSLFM技术进行多个重复实验，通过实时多色激光照明和信号检测，确保实验的高重复性和稳定性。

b) 研究结果

CSLFM成功用于多种物种的亚细胞结构和动态观察，例如小鼠脾脏中的迁移体传递、小鼠肝脏中的撤回体生成和果蝇中3D电压成像。该技术大幅度提高信噪比，实现长时间、高分辨率的成像，并获得了与双光子显微镜相似的神经反应定向选择性。

c) 结论及其意义

CSLFM为活体内亚细胞动态长时程、高质量三维成像提供了技术解决方案，以低光毒性和高数据吞吐量实现显微观察，推动了生物医学研究的发展。

d) 研究亮点

本研究的重要发现包括免疫细胞间的动态交互、神经编码机制的新理解以及独创的CSLFM技术，展示了其在活体亚细胞成像领域的前所未有的优势和应用前景。

研究价值和影响

CSLFM的推出大力推进了生命科学领域的跨学科研究，为细胞生物学、神经科学、免疫学等多领域提供更准确更深入的观测手段，让研究人员能更贴近真实生物过程进行科学探索。

此外，作者团队提供了详尽的实验方法，增强了研究的透明度和可重复性，确保该技术可以被更广泛地应用和验证。