物理学家罗伯特·普雷韦德尔制造的显微镜可以快速测量神经元活动，同时适应活体小鼠大脑的运动。图片来源：《自然》网站

科技日报实习记者 张佳欣

智能显微镜日益受到科学家们的青睐，因为这些显微镜可以比以往任何时候都更深入地观察组织，并在关键时刻放大细节，捕捉细胞生命中稍纵即逝的瞬间。

自适应显微镜的“用武之地”

老鼠的心脏每分钟大约跳动600次。每跳动一次，血管中的血液就会震动大脑和其他器官。这种跳动不会给老鼠带来麻烦，但它确实给科学家们带来了挑战。

据英国《自然》杂志网站介绍，物理学家罗伯特·普雷韦德尔就面临这样的问题。他在欧洲分子生物学实验室设计和制造的显微镜或能解决这一难题。他试图探明：当器官本身移动时，如何捕捉大脑深处的神经活动。

通常情况下，显微镜很难观察到组织中超过一毫米的深度。除此之外，从细胞内结构反射的光会产生扭曲，即使样本没有随着心跳移动，图像也会变得模糊，更别提需要深入到活标本的几十或数百微米深处。这些，正是自适应显微镜能大显身手之处。

自适应光学系统最早是为天文学应用开发的，它使用由可变形膜而非刚性光学材料制成的镜子和透镜来引导光线。软件工具迅速改变薄膜的形状，以响应样品的变化。这种“样本自适应”的方法不需要人工操作，而是依靠显微镜本身实时调整光学系统，以持续产生高质量的图像。

2021年，普雷韦德尔和他的同事设计了一种智能显微镜，将一种名为三光子荧光成像的方法与自适应光学系统相结合，用于探测组织内部。研究小组在与心跳同步的情况下，对大脑表面下近1.5毫米处的海马体区域的细胞进行成像，这一区域比之前的研究深入了0.5毫米。

随着时空变化进行观察

英国剑桥MRC分子生物学实验室的发育生物学家凯特·麦克多尔开发了一种显微镜，研究随着小鼠胚胎的发育，细胞块如何形成复杂的组织。该团队希望在3天内 对发育中的胚胎进行成像，在此期间，胚胎直径从大约200微米增长到近3毫米。麦克多尔说，胚胎固定在一端，可以“在微风中自由摇摆”，其密度和其他光学 特性会随着时间的推移而变化，而“显微镜需要跟上这一切”。

麦克多尔团队从一种名为同步多视角光片显微镜的技术开始，改变了光学设计，并创建了软件来控制光源的角度和光学元件的位置等因素。该软件能够在收集图像时衡量胚胎的数据质量，并可以在整个实验过程中调整这些因素来优化图像。

显微镜还自动检测正在生长的胚胎在样本室中的位置，并将其保持在视野的中心，调整距离以确保图像质量前后一致。

麦克多尔团队使用这个系统观察小鼠胚胎48小时内的发育，以单细胞分辨率对胚胎心脏和其他发育中的器官进行成像。随后，他们对大脑类器官进行了长达两周的 成像。“这就是智能显微镜的未来，即让显微镜决定何时何地以及如何对特定事件采取行动。”麦克多尔说，“你可以教显微镜这样做，比如，现在是凌晨3点，当 这种细胞分裂发生时，我希望你将图像放大，然后恢复正常成像。”

深入亚细胞尺度捕捉瞬间

智能显微镜也被开发用于为更小的结构成像。例如，瑞典皇家理工学院的物理学家伊拉里亚·泰斯塔建造了一个装置，用来观察当神经细胞激活时，亚细胞囊泡在神经突触释放钙的过程，这是信号传递的关键一步。

“这些都是罕见的事件，捕捉它们并不容易。”特斯塔说。

一种选择是不停地对标本进行成像。但囊泡的释放是暂时的，其结构对于标准显微镜来说也太小了。超分辨率成像可以显示更多细节，但它需要高强度光源，这些光 源只能在样品损坏之前短暂使用。该团队尝试了各种延时方法，以固定的时间间隔捕获图像。但特斯塔说，这就像是看了一场足球比赛，却错失了其中一个进球，因 为你在关键时刻把目光投向了其他地方。

为了帮助他们将目光集中在“球”上，特斯塔团队结合了两种显微镜方法：荧光广域显微镜和一种被称为受激发射耗尽（STED）的超分辨率显微镜。他们开发了 一个软件系统来控制这些显微镜模式：当软件检测到荧光发生变化时，系统会自动切换到更高分辨率的STED模式。这使得研究小组能够以纳米级的精度捕捉到细 胞在释放钙后如何重组它们的突触小泡。

“我们基本上是在以更智能的方式引导图像的采集。”特斯塔说，“这种设置提高了效率，因为智能显微镜只捕捉到你真正关心的那几秒钟。”