Dual-Mode Bio-CM2: Multimodal Computational Miniature Mesoscope for Fluorescence and Label-Free Imaging
本文介绍了 Dual-Mode Bio-CM2，这是一种可扩展的计算微型介观成像系统，它利用共享的光学架构同时捕获共注册的荧光图像和无标记反射图像，从而实现对多种自由移动及头固定标本生物功能的全面多模态分析。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
为了理解一个生物体是如何运作的，科学家通常需要同时观察两种不同的事物。其中一个是细胞内部特定的分子机制，例如在神经元放电时会发光的蛋白质。另一个是更广泛的背景：动物身体的形状、它的运动方式，或是血液在其组织中的流动情况。几十年来，研究人员一直难以在单个微型显微镜中同时捕捉到这两种视角，且该显微镜还必须能够佩戴在自由活动的动物身上。传统的显微镜体积庞大且沉重，而当科学家试图缩小它们时，通常必须在视野范围或细节清晰度之间做出选择，并且往往会失去同时观察多种信号的能力。这种权衡使得将细胞内部发生的活动与动物在现实世界中所做的行为联系起来变得十分困难。
波士顿大学的一个研究小组现在为这个问题找到了解决方案。他们开发了一种名为 dual-mode Bio-CM2 的新设备，这是一种微型显微镜，其尺寸小到可以安装在小鼠身上，但功能强大到足以清晰地观察大面积的脑部区域。与以往只能观察荧光标记的版本不同，这款新设备可以同时捕捉两种截然不同的图像：一种显示特定的发光分子，另一种则显示无需标记的组织自然结构与运动。通过结合这两种视角，研究人员可以在观察动物行为的同时，实时看到其细胞的活动，而这一切都通过单一的紧凑型仪器实现。
该设备通过一种巧妙的四透镜排列方式工作，这些透镜协同工作以覆盖一个较大的区域（大约相当于一张小型邮票的大小），这比标准微型显微镜的视野要宽得多。该系统并非使用复杂的反射镜或分束器来分离不同颜色的光，而是通过快速连续地拍摄图像，在使荧光蛋白发光的蓝光与反射组织以揭示其形状的绿光之间进行切换。由于这种切换速度极快，两幅图像实际上是在同一时刻被捕获的，从而允许研究人员将它们完美地对齐。这种设计意味着显微镜不需要为了获得宽阔视野而变得臃型的体积；它可以在保持足够轻巧以便小鼠携带的同时，仍能提供大脑整个顶表面的详细地图。
研究人员在三种完全不同的动物身上测试了这种新型显微镜，以证明其具有广泛的适用性。首先，他们观察了自由游泳的微小圆虫。显微镜显示了圆虫肌肉内与疾病模型相关的发光蛋白质团块，而第二种视角则展示了圆虫在移动时整个身体的弯曲和扭动。这让科学家能够精确观察到蛋白质团块相对于圆虫姿态的位置，而这对于只能看到发光点的显微镜来说是不可能实现的。接着，他们观察了一只在水箱中游泳的幼年斑马鱼。该设备突出了心脏跳动时产生的特定光芒，而另一视角则追踪了鱼儿在水中穿梭时的全身动作。这种结合让研究人员能够将心脏的活动直接与鱼类的游泳行为联系起来。
最后，团队转向了最复杂的对象：小鼠的大脑。他们将显微镜放置在一只经过基因改造的小鼠头部，这种小鼠在脑细胞活跃时会发出光芒。该设备捕捉到了大脑顶部的宽阔视野，既显示了神经元的电活动，也显示了血管中的血液流动。这种双重视角至关重要，因为血管有时会干扰神经元的信号，使看起来像是大脑在活跃，而实际上只是血液在流动。通过在第二幅图像中观察血流，研究人员可以从数学上消除这种干扰，从而以更高的清晰度揭示神经元的真实活动。这种同时观察细胞和血流的能力，且覆盖了如此大面积的大脑区域，提供了比以往工具更完整的脑功能图景。
该项目的成功表明，在不增加体积或复杂性的情况下，扩展微型显微镜的功能是可能的。通过将两种不同的观察方式整合到一个共享系统中，研究人员创造了一个能够讲述关于“运动中的生命”更完整故事的工具。无论是观察圆虫在世界中穿行、鱼类觅食，还是小鼠处理思维，这款新设备都允许科学家将分子层面的细节与物理行为视为一个单一且相互关联的事件。这项工作表明，未来的版本可能会做得更小、更轻，从而可能对大脑与身体如何协同工作进行更深入的研究。
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