新型显微技术突破快速3D成像极限

科技日报记者 张梦然

美国加州大学圣克鲁斯分校团队开发出一种新型显微技术，突破了快速3D成像的极限。他们利用25台相机组成高速显微镜，能一次性捕捉整个小型生物体内部的实时细胞动态过程。该技术为发育生物学、神经科学和运动研究等领域提供了前所未有的观察手段，将推动生物医学研究向更高维度和智能化方向发展。相关成果发表于最新一期《光学》期刊。

传统显微镜在获取3D图像时，通常依赖机械聚焦或逐层扫描不同深度，这一过程速度较慢，无法捕捉快速发生的生物动态，还容易造成图像畸变或信息丢失。为解决这一问题，团队开发了名为M25的新型显微镜系统。该系统基于多焦点显微镜技术进行扩展，利用25个同步工作的相机，同时记录来自不同焦平面的图像，从而实现无需扫描的高速3D成像。

研究表明，新显微镜可在高达180×180×50微米的3D空间内，以每秒超过100个体积帧率采集25个焦平面的数据，达到实时成像水平。系统核心是一块特制的衍射光学元件，它能将入射光分割并引导至25个相机，每个相机对应一个独立且精确控制的焦平面。为了克服传统色散校正组件体积大、难以扩展的问题，团队设计了集成在各相机镜头前的定制闪耀光栅，有效校正了多焦点光栅引起的色散效应。

M25系统的关键创新在于用轻巧紧凑的定制光栅，替代了传统笨重的棱镜系统。这种设计使其特别适用于观察胚胎发育或者自由运动的小型模式生物。

验证中，团队对包括秀丽隐杆线虫和黑腹果蝇在内的多种活体模式生物进行了实时3D成像。过去，科学家在观察线虫运动时往往只能看清部分身体结构，而M25则能全程追踪整条线虫在3D空间中的自然运动轨迹。这为解析生物神经系统提供了全新工具，进一步还可探究基因突变、疾病状态或药物干预对动物行为的影响。

M25系统可直接安装在标准商用显微镜的侧端口上，除特制的衍射光学元件外，无需额外专用硬件，显著降低了推广的技术门槛。

总编辑圈点

实时3D显微镜技术的突破，为生物医学研究带来重要变革。传统显微镜受限于二维成像和静态观察，难以捕捉生命活动的动态全貌。相比之下，实时3D显微镜实现了活体样本的高分辨率动态观测。例如，在细胞生物学领域，该技术使科学家能够直观追踪肿瘤细胞的迁移路径，为癌症转移和感染机制研究提供了全新视角。未来，该技术有望与人工智能深度结合，实时捕捉更加微观的动态世界，推动生物医学在基础研究和临床应用领域不断突破。