MetaLFM: Metalens-array-enabled High-Density Optical Sampling for High-Resolution Volumetric Bioimaging by Light Field Microscopy

以足够清晰的程度观察到能够追踪单个神经细胞纤细分支的三维活体世界，是现代生物学面临的重大挑战之一。为了理解大脑如何思考或组织如何生长，科学家需要捕捉的不只是平面的快照，而是生命运动中的深度体积视图。传统方法通常需要逐层扫描样本，这是一个缓慢的过程，可能会错过快速发生的生物事件，或因光照过强而损伤脆弱的细胞。一种被称为光场显微术（light field microscopy）的更快方法，试图在瞬间捕捉整个 3D 体积，就像拍摄一张同时包含所有深度信息的照片。然而，这种速度是以牺牲质量为代价的：由于用于将光线分解成不同角度的技术遇到了物理瓶颈，图像往往缺乏观察精细细节所需的清晰度。多年来，研究人员一直无法在不损失正确聚焦能力的情况下缩小这些分光透镜，迫使他们在速度和清晰度之间做出选择。

来自光州科学技术研究院（Gwangju Institute of Science and Technology）的一个研究小组找到了一种突破这一障碍的方法。他们开发了一种名为 MetaLFM 的新系统，该系统用由数千个微小的纳米级柱状结构组成的平面工程化表面，取代了这些显微镜中使用的标准玻璃透镜。通过使用这种新型透镜阵列，他们成功地将分光元件排列得比以往任何时候都更紧密，且没有牺牲聚焦能力。其结果是，这种显微镜可以拍摄具有显著更高清晰度的活体组织高速 3D 照片。在他们的工作中，团队展示了这种新方法能够以这种类型快速成像技术此前无法达到的清晰度，揭示小鼠脊髓和人类肠道组织的复杂结构。

该团队解决的核心问题在于光场显微镜的工作原理。为了从单张快照中实现 3D 观察，显微镜不仅要记录光从哪里来，还要记录光传播的方向。这是通过在摄像传感器前放置一个称为微透镜阵列（microlens array）的透镜网格来实现的。每个微型透镜都像是一个窗口，从略微不同的角度捕捉场景的一小部分切片。然后，计算机利用这些不同的角度来重建图像的深度。最终图像越清晰，需要的微型透镜就越多，这意味着它们必须排列得更紧密。然而，使用传统的玻璃透镜时，减小尺寸会产生物理冲突：随着透镜变小，它们也必须变得更短才能正确聚焦光线，但如果透镜太短，则会扭曲图像。这种几何约束限制了这些透镜能做多小，从而封顶了整个系统的分辨率。

研究人员通过将玻璃更换为超透镜（metalens）阵列绕过了这一限制。超透镜不再依赖透镜的弯曲形状来折射光线，而是由刻有数十亿个仅为人类头发宽度一小部分的微型柱状结构的平面组成。这些柱子由二氧化钛制成，这种材料可以极其精确地操纵光波。由于聚焦能力来自于这些柱子的排列而非玻璃的弧度，研究人员可以设计出非常小且排列紧密的透镜，同时仍能像较大的旧透镜一样聚焦光线。他们创建了一个包含 3,600 个此类透镜的阵列，这些透镜排列在一个约 4.5 毫米乘以 4.5 毫米的网格中。每个单独透镜的直径为 71.5 微米，间距仅为 75 微米。这种紧密的间距使得系统可以捕捉更多的角度信息，这直接转化为更清晰、更详细的 3D 图像。

当团队测试新系统时，差异是立竿见影且可衡量的。他们将使用这种新型超透镜阵列拍摄的图像与使用较大传统玻璃透镜的标准显微镜拍摄的图像进行了对比。新系统产生的图像中，被称为点扩散函数（point spread function）的模糊区域明显更小。简单来说，新显微镜比旧显微镜更能区分两个靠得很近的物体。在图像的深度方向上，新系统将水平方向的模糊减少了高达 44%，垂直方向减少了 39%。此外，新图像中没有经常出现在标准光场图像背景中的网格状图案，这些图案可能会遮蔽正在研究的组织细节。

为了证明这种改进对真实生物学有用，研究人员转向了复杂的活体样本。他们拍摄了小鼠脊髓组织的切片，其中充满了密集的神经元网络。在由新系统生成的图像中，被称为树突的神经细胞细微分支显得更加清晰和明确。团队测量了这些结构的宽度，发现与标准方法相比，新显微镜在解析这些结构方面平均提高了 25%。这种细节水平对于理解神经细胞如何连接和通信至关重要。他们还在人类肠道类器官（human intestinal organoids）上测试了该系统，这些是在实验室中培育的、模拟人类肠道结构的微型 3D 细胞集群。这些样本厚实且复杂，难以清晰成像。新显微镜成功地以高保真度揭示了类器官蜂窝状的内部结构，表明该技术即使在厚实的、具有挑战性的生物样本中也能表现良好。

或许最重要的一点是，研究人员展示了这种高分辨率并不会以牺牲速度为代价。他们利用该系统拍摄培养皿中神经元的活动，捕捉指示神经细胞放电的钙信号。系统以每秒 25 次的速度记录这些事件，足以捕捉大脑中发生的快速爆发活动。图像足够清晰，可以追踪单个细胞并观察它们何时同步放电。这证明了这项新技术不仅仅是拍摄死组织静态照片的工具，而且是一种观察生命动态、快速过程的可行方法。

该项目的成功为光学成像指明了一条新的道路。通过将透镜尺寸与其聚焦能力解耦，研究人员表明，旧有的速度、深度与分辨率之间的权衡是可以被克服的。虽然该系统仍然依赖复杂的计算机处理将原始光数据转化为清晰图像，但其光学基础已得到了根本性的改善。团队指出，未来的工作将集中在使这些透镜阵列变得更大、更均匀，并可能使其适应不同颜色的光。目前，MetaLFM 的演示标志着向以以前不可能实现的清晰度和速度观察微观世界迈出了重要一步，为观察复杂生命机制提供了一扇新的窗口。