來源：宇宙與科學百家號

韓國科學家領導的一個團隊開發了一種新型全息顯微鏡。據說，新的顯微鏡可以“看穿”完整的頭骨，并能夠在不移除頭骨的情況下，對活體小鼠大腦內的神經網絡進行高分辨率3D成像。為了使用光仔細檢查活體的內部特征，之前科學家需要向樣品提供足夠的光能，然后精確測量從目標組織反射的信號。然而，在活體組織中，當光照射細胞時，往往會出現多重散射效應和嚴重的像差，這使得難以獲得清晰的圖像。

在復雜結構（如活組織）中，光經歷多次散射，這導致光子在穿過組織時多次隨機改變方向。由于這個過程，光攜帶的許多圖像信息被破壞。然而，即使是非常少量的反射光，也可以通過校正從待觀察目標反射的光的波前失真來觀察位于組織內相對較深的特征。然而，上述多次散射效應干擾了該校正過程。因此，為了獲得高分辨率的深部組織圖像，重要的是去除多個散射波并增加單個散射波的比率。

根據入射角的反射信號特性，如果物體較小或具有線性結構，即使入射角改變，單散射波的反射信號波形也保持相似。多個散射波的反射信號的波形即使在入射角稍微改變的情況下也沒有相似性地改變。使用這些波陣面間特性，可以將單個散射分量和多個散射分量彼此分離。

兩年前科學家們就開發了高速時間分辨全息顯微鏡，可以消除多次散射，同時測量光的振幅和相位。他們用這臺顯微鏡觀察了活魚的神經網絡，而沒有進行切口手術。然而，在具有比魚更厚的頭骨的小鼠的情況下，由于光穿過骨骼結構時發生嚴重的光失真和多次散射，不去除或減薄頭骨就不可能獲得大腦的神經網絡圖像。

之后韓國科學家們設法定量分析了光和物質之間的相互作用，這使他們能夠進一步改進之前的顯微鏡。在近期的一項研究中，他們報告了一種超深度三維時間分辨全息顯微鏡的成功開發，該顯微鏡允許觀察比以往任何時候都更深的組織。

具體來說，科學家們設計了一種方法，通過利用即使從不同角度輸入光也具有相似反射波形的事實，優先選擇單個散射波。這是通過復雜算法和分析介質本征模（將光能傳遞到介質中的獨特波）的數值運算完成的，這允許找到Z大化光波陣面之間的相長干涉（相同相位的波重疊時發生的干涉）的共振模式。這使得新的顯微鏡能夠將80倍以上的光能聚焦在神經纖維上，同時選擇性地去除不必要的信號。這允許單個散射波與多個散射波的比率增加幾個數量級。

科學家們通過觀察小鼠大腦繼續演示這項新技術。該顯微鏡能夠校正波前失真，即使在以前使用現有技術無法達到的深度。新顯微鏡成功地獲得了頭骨下小鼠大腦神經網絡的高分辨率圖像。這都是在可見光波長下實現的，不需要移除小鼠頭骨，也不需要熒光標記。

“當我們頭次觀察到復雜介質的光學共振時，我們的工作受到了學術界的很大關注。從觀察老鼠頭骨下神經網絡的基本原理到實際應用，我們結合物理學、生命和腦科學領域的人才的努力，為腦神經成像融合技術開辟了一條新的道路。”科學家們解釋說。

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