UIUC团队造出人工智能共聚焦显微镜，可用于胚胎研究和个性化医疗等领域

对于大部分光学显微系统来说，实现类器官三维厚生物组织的无标记非侵入成像依旧是一大难题。主要原因之一在于分辨率不够，尤其是纵向分辨率不够高。

在广域光学显微系统中，视场中每个点的信号，是同时照明的相邻点的叠加结果，不过这会让图片的对比度降低。

1955 年，美国科学家马文·明斯基（Marvin Minsky）提出通过共聚焦显微镜来解决这个问题。

如今，尽管激光扫描共聚焦荧光显微镜已被广泛使用，但仍会带来光漂白、化学和光毒性等副作用。

最近，研究人员造出一种名为人工智能共聚焦显微镜（ACM，artificial confocal microscopy）的新器件，可以在未标记的标本上无损地实现三维高分辨成像、以及更高的灵敏度和化学特异性。

在商用激光扫描共聚焦显微镜上，他们配备了定量相位成像模块，这样就能在相同视野中，获取成对的相位和荧光图像，并通过训练卷积神经网络来将前者转换为后者。

期间，研究人员利用人工智能共聚焦显微镜实现了海马神经元和三维肝癌球体的三维高分辨无标记成像。

进一步地，在类球体密集生物组织中，他们使用人工智能共聚焦显微镜去分割单个细胞核，以用于细胞计数、体积测量和干质量测量。

由于人工智能共聚焦显微镜可以从厚生物样品中非破坏性地提供定量动态数据，同时又保留了荧光成像中的化学特异性，故在胚胎研究、癌症研究、个性化医疗、药物研究中具有不错的应用前景。

举例来说，在一些癌症研究课题中，相比二维单层生物组织，使用三维类器官的生物组织来做研究，会带来更准确有效的成果。同时，三维厚生物组织可以更精确地检测药物效果，这时人工智能共聚焦显微镜就可以发挥作用。

再比如在胚胎活性、检测胚胎健康指数的研究中，使用标记成像的方法并不可行，那么人工智能共聚焦显微镜就可以“上阵”帮忙。此外，在一些生物组织工程的研究中比如人造三维器官的课题中，人工智能共聚焦显微镜能以无标记、无侵入的方式，进行长时间的观测。

日前，相关论文以《用于深度无标记成像的人工共聚焦显微镜》（）为题发在 Nature Photonics 上 [1]，目前在康奈尔大学工程学院 教授课题组做博后研究的陈曦担任第一作者兼共同通讯作者。

图 | 陈曦（来源：陈曦）

投稿过程中，评审专家建议该团队针对人工智能共聚焦显微镜的三维分辨率与荧光共聚焦显微镜的分辨率加以对比。课题组对此做出修改以后，更好地支撑了论文结论。

图 | 相关论文（来源：Nature Photonics）

同时，评审专家还建议他们对量化激光扫描相位成像系统的时间灵敏性做出量化。陈曦表示：“我们依据建议进行了测量，并与广域相位成像系统做出了对比，来支持人工智能共聚焦显微镜系统的高灵敏度。在论文的讨论部分里，我们也更全面地论述了人工智能共聚焦显微镜成像与荧光标记共聚焦成像区别，以及目前存在的局限性。”

多数读者看到的只是一篇论文，然而在研究过程中，发生了一件让陈曦可能这辈子都不会忘却的事情。

她说：“搭建系统时，我们第一次看到了激光扫描的相位图像。相比之前的广域相位成像系统，灵敏度和对比度都有很大提高。整个理论推导包含了大量与 Dr. Gabriel Popescu 的讨论。可惜的是，在论文被接收之前，Dr. Popescu 于 2022 年 6 月在车祸中不幸离世，这给我们和甚至整个光学界都带来很大打击。”

对于一位科研人员来说，努力做出更好的成果，或许是告慰先人最好的方式。未来，陈曦不仅会继续推进激光扫描无标记成像系统的发展和应用，也会研究如何提高分辨率和加深成像深度，并将在学界寻找教职。

参考资料：

1.Chen, X., Kandel, M.E., He, S. et al. Artificial confocal microscopy for deep label-free imaging. Nat. Photon. (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01140-6