Computational aberration-corrected volumetric imaging of single retinal cell dynamics in the living eye
本文介绍了一种全光照度扫描激光检眼镜（PI-SLO），这是一种高速、宽视野的3D成像模态，它克服了眼部像差，实现了对活体眼中视网膜动态进行非侵入性的单细胞分辨率体积成像。
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
人类的眼睛不仅仅是观察世界的窗口；它还是中枢神经系统中唯一一个医生无需通过手术即可直接观察的部分。在这颗微小的透明球体内部，坐落着视网膜——这是一层薄薄的组织，其中密布着神经元、血管和免疫细胞，它们协同工作以处理光信号。由于这些细胞如此微小且排列紧密，研究活体动物中这些细胞如何移动以及如何相互交流一直是一项极其困难的任务。传统的摄像机难以看清眼球深处，因为眼睛自身的晶状体会造成图像模糊；而那些能够观察到单个细胞的强力显微镜，通常需要侵入性手术，或者移动速度过慢，从而错过快速发生的生物学事件。科学家们长期以来一直渴望找到一种方法，能够在不伤害脆弱组织的前提下，实时地、大范围地观察这些微小的细胞对话。
约翰斯·霍普金斯大学的一个研究小组开发出了一种全新的方法，实现了这一目标。他们创建了一个专门的成像系统，其功能就像是一个针对活体眼睛的高速三维摄像机。该系统并非依赖复杂的硬件来物理纠正眼睛的模糊视觉，而是利用了光影与计算机处理的一个巧妙技巧。该设备会从许多略微不同的角度快速连续地向眼中射入光线。当光线撞击视网膜时，会激发发光的细胞，随后传感器会收集反射回来的光。由于光线是从不同方向进入的，每个发光细胞的位置在捕捉到的图像中都会发生轻微偏移，就像当你走过一棵树时，树看起来在移动一样。通过在不到一秒钟的时间内捕捉到来自数十个角度的这些偏移，研究人员可以使用计算机计算出每个细胞在三维空间中的精确位置，从而有效地消除了由眼睛缺陷造成的模糊感。
通过这种被称为“全光照明扫描检眼镜术”（plenoptic illumination scanning light ophthalmoscopy）的方法，该团队得以以前所未有的细节观察活体小鼠的视网膜。他们重点关注了三个关键领域：巡逻眼睛的免疫细胞、为眼睛提供养分的血管，以及处理视觉信号的神经元。在第一组实验中，他们追踪了大约一百个免疫细胞在十三分钟内的运动。他们发现这些细胞并不完全相同：靠近视网膜表面的细胞比埋藏在更深层组织中的细胞活动得更为频繁。这表明视网膜的不同层级具有不同的免疫活动类型，而这在以前是无法在大范围内清晰观察到的。该系统以每秒超过二十三个完整三维体积的速度捕捉这些运动，使研究人员能够实时看到细胞伸展并缩回其微小的分支。
研究人员还利用该系统绘制了视网网三层血管中的血流图。通过向血液中注入无害的荧光染料，他们可以观察单个血细胞在毛细血管中疾驰。这项技术不仅让他们看到了主要的水平血管层，还看到了通常隐藏起来的、在这些层级之间穿梭的微小垂直连接。他们测量了这些微细血管中的血流速度，发现有些血管的速度为每秒 0.68 毫米，而另一些则慢得多，仅为每秒 0.12 毫米。这种能够同时测量整个网络中血流速度的能力，提供了关于眼睛如何获得氧气供应的完整图景，这对于理解糖尿病和青光眼等疾病至关重要。
或许最显著的是，该团队展示了他们可以在不停止动物运动或使用侵入性探针的情况下，观察眼睛中的大脑电活动。他们使用一种病毒使特定的神经元在活跃时发出光芒，然后用紫外光闪烁刺激小鼠的眼睛。该系统捕捉到了由此产生的钙信号（化学性质的神经活动标记），并能同时捕捉两个不同神经层级的信号。他们观察到单个神经元对光的反应各不相同：有些立即放电，而另一些则在等待，甚至观察到同一个神经元的不同部分可以做出截然相反的反应。这种覆盖广泛区域且实时发生的精细细节，证实了眼睛可以作为观察中枢神经系统的强大窗口。该方法所需的激发光强度极低，降低了损伤眼睛的风险，并且无需依赖以往尝试中受限的笨重且昂贵的硬件。通过将眼睛变成一个展示细胞生命的清晰、高速的三维电影院，这种方法为研究大脑运作方式及其疾病如何破坏大脑功能开辟了一条新路径。
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