Nature | 格奥 “多瞳孔” 棱镜组件在大视场自适应大脑扫描系统中的应用

MPAO系统的优点与功用

通过放大或缩小，瞳孔可以调节进入眼球的光线，使人眼的通光量保持在最合理的范围。美国普渡大学电子与计算机工程学院Meng Cui教授通过利用格奥光电生产的棱镜组件，发明了一种实现 “多瞳孔” 功能的大视场自适应光学显微成像系统（Multi-Pupil Adaptive Optics, MPAO），高速、高清、同步测量神经元数据点，每秒可测2-3千万个，并可拍摄持续活跃的大量脑细胞的高清延时照片，大视场记录脑细胞生物进程持续变化的细节。

因为大脑内细胞和生物组织是不同结构和物质的复杂结合体，所以折射率千变万化。当光穿过这些细胞或生物组织时，会产生模糊的像，就像汽车挡风玻璃上的雨滴一样。传统自适应光学系统能纠正这种光的畸变，但它的视场有限，整张画面只能用一个区域的波前校正测量结果。而且受制于空间层面的波前畸变变化太大，成像速度也慢，一处波前校正成功，下一处却不一定，甚至可能破坏下一区域的画质。

较之传统方法，Meng Cui教授的这一MPAO成像系统可以在不同区域进行同步校正，以便研究者同时观察众多细胞或生物组织，并让同步波前校正面积增加了9倍之多，进一步助益哺乳动物大脑3D空间成像的探索与发现。研究者可以利用这一新系统在诸多方面进行成像，如小神经胶质这类大脑细胞、神经元钙信号处理、大脑中的脉管系统、树突棘、脑细胞中对于学习和沟通至关重要的神经元结构等。

MPAO系统是如何设计的？

这套系统的光学件主要由可变形的多面球反射镜（用于抵消光通过生物组织时产生的变形），3x3分布的高透、多面棱镜组（棱镜的不同面可用于对显微镜视场的不同角度进行成像），中继镜组（对像进行放大或缩小）等。不同于传统的自适应系统，Meng Cui教授团队在两对中继镜之前的焦平面上插入了两对棱镜组，以在空间光调制器上产生一组二维的瞳孔图像。激光扫描振镜的直径是5毫米，由中继镜1和中继镜2按11：15的比例缩小，然后再由中继镜3和中继镜4按50：11的比例放大。最后，物镜（尼康25X，数值孔径1.1，完整光瞳17.6毫米）光瞳面的光束直径是16.7毫米，产生的有效数值孔径是1.04。

其中，格奥替这个项目（由美国国立卫生研究院及普渡大学资助）所定制生产的高透过棱镜（见下图3x3棱镜组的3D渲染图），其每个小面面积是9.375x9.375平方毫米，中心面与紫色面的夹角是31.5度，与绿色面的夹角是23.4度。棱镜组的中心厚度是10毫米。每个面对应一个150x150平方微米的成像面积，那3x3棱镜组的成像面积450x450平方微米。通过把这些熔融石英棱镜组浸入与之折射率相匹配的浸液（Cargille激光浸液，编码1074 & 3421），调整光束倾斜角。利用两种折射率不同的浸液（一个折射率高于该棱镜组，一个折射率低于该棱镜组），形成一个互补的棱镜组，一个棱镜组的倾斜角被另一个棱镜组抵消。

展望

如今，脑科学的研究当属最前沿的科技领域之一，它不仅关系到诊断、治疗与脑部相关的疾病，还与人工智能、仿生学、脑机接口等前沿领域高度相关。日新月异的脑科学发展，离不开一批又一批的科研工作者精益求精地探索未知。这种大视场自适应光学显微成像技术，也有其提升空间。通过将格奥提供的这批3x3的棱镜组，在水平及竖直方向各增加3列，变成6x6的棱镜组，或许就是脑成像方面下一个创新点。

原文链接： Large-field-of-view imaging by Multi-Pupil Adaptive Optics - PMC (nih.gov)