光片荧光显微成像技术的发展及应用（特邀）

近几十年来,光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新,显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术,光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本,大大提高了光子利用效率,降低了光毒性,并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来,其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽,从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及,不仅可用于观察细胞和组织的基本结构,还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时,其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展,旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考,推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。     

近红外二区共聚焦显微技术的进展及应用（特邀）

共聚焦显微镜具有较高的空间分辨率和信号背景比,能对生物样品进行三维层析成像,在医学与生物学领域有着广泛的应用。近红外二区（NIR-II,900~1 880 nm）波段的光在生物组织中具有适中的吸收、较低的散射,以及非常弱的生物组织自发荧光,因此,NIR-II荧光活体成像具有大深度、高对比度等优势。点激发、点探测的NIR-II共聚焦显微技术结合了上述二者的优势,在大深度生物成像中具有高空间分辨率和高信号背景比等优点,因此在生物医学领域得到了广泛应用。此综述将从NIR-II共聚焦显微技术的原理出发,阐述其发展进程、以及基于此项技术开展的生物医学成像应用,探讨NIR-II共聚焦显微技术未来的改进和发展方向。     

结合光片照明与超分辨的三维荧光显微成像

随着科学的进步,生命科学的研究对象由单个器官向组织体、离体组织切片及发育过程中的活体胚胎转变。荧光特异性标记的出现,为追踪物质在单细胞、组织体、器官甚至整个胚胎内的转移过程提供了手段。为了实现整个追踪过程,需要对活体胚胎进行无损、非侵入式的亚细胞级别成像,这就对荧光显微技术提出了更高的要求。在传统荧光显微技术基础上发展了光片照明和超分辨荧光显微技术。前者通过选择平面照明方式,只激发探测物镜焦平面附近的样品,因其具有高穿透深度、低漂白和高成像速度而广泛应用于三维活体组织成像;后者利用特殊的光调控手段将显微镜的分辨率提升至纳米水平,成为研究亚细胞水平生命活动的有力武器。通过介绍2大技术的发展、融合以及目前所遇到的问题,探究新型的、适宜观察三维厚组织样品亚细胞结构和生命过程的成像方法。     

基于深度学习的荧光显微性能提升（特邀）

荧光显微镜具有对样品损伤小、可特异性成像等优点,是生物医学研究的主流成像手段。随着人工智能技术的快速发展,深度学习在逆问题求解中取得了巨大成功,被广泛应用于诸多领域。近年来,深度学习在荧光显微成像中的应用掀起了一个研究热潮,为荧光显微技术发展提供了性能上的突破与新思路。基于此,首先介绍了深度学习的基本网络模型,然后对基于深度学习的荧光显微成像技术在荧光显微的空间分辨率、图像采集及重建速度、成像通量和成像质量提升方面的应用进行阐述。最后,对目前深度学习在荧光显微成像中的研究进行总结与展望。     

整体器官的光透明成像方法综述

现代光学成像技术与荧光标记技术不断发展,为高分辨地获取生物组织三维结构信息提供了重要的工具。然而,大多数生物组织具有不透明特性,限制了光在组织中的穿透深度,进而限制了光学成像技术在大组织或整体器官成像中的应用。近年兴起的组织光透明技术通过多种物理、化学手段降低组织对光的衰减,增加光穿透深度,从而提高光学成像的成像深度与成像质量,为整体组织器官的三维成像提供了全新的思路。本文从离体组织光透明方法、大组织器官标记方法、三维整体成像技术三个方面,对整体器官的光透明成像方法进行综述。     

三维拉曼显微成像技术研究进展（特邀）

拉曼显微成像技术无需样本制备,具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点,可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布,成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入,拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先,系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展,包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后,总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。     

自适应光学技术在深层动态荧光显微成像中的应用和发展

荧光显微成像技术是开展微观生命科学研究的重要手段和工具,使用该技术可以观察生物体内的精细结构、动态追踪生物体内组织、细胞、细胞核、蛋白、小分子等不同尺度的生命活动过程。其中,研究深层组织高时空分辨率荧光显微成像技术,是当前成像领域一个前沿问题。应用自适应光学技术实时补偿经由不透明散射、非均匀生物组织传播而引入的复杂波前畸变已被证实是实现上述技术的一种有效途径。文中首先归纳了深层动态荧光显微成像的需求和特点,随后分别介绍了自适应光学技术近几年在共聚焦显微成像、随机光学重构显微成像、光激活定位显微成像、受激辐射光淬灭显微成像、双光子/多光子激发显微成像中的相关应用,并对今后的研究问题和发展方向提出展望。     

单物镜光片三维荧光成像技术研究进展（特邀）

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制,展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势,并且可与超分辨显微术等多种技术结合,在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。     

基于深度学习的多分辨显微关联成像系统设计

显微成像技术作为研究细胞和生物组织的主要工具,对生物医学的发展起到了极大的推动作用。生物样本的复杂化和生物医学领域对时间和空间分辨率的多样化需求决定了单一功能生物成像系统应用的局限性。为满足生物医学领域的多样化需求,解决成像质量与成像时间之间的矛盾,设计了一种基于深度学习的多分辨显微关联成像系统。该系统通过对显微镜进行硬件设计改造和软件处理,将深度学习与关联成像技术有效结合,当采样率仅为60%时,成像系统能够较好地恢复图像细节,大幅降低欠采样带来的噪声,同时显著提升系统成像的时间分辨率。另外,为了满足所设计的小型多分辨显微关联成像系统的实际需求,采用基于重参数化思想的超高效轻量超分网络,在资源受限的设备下实现实时高质量成像。所提出的成像系统可以在保证成像质量的同时显著缩短成像时间和减少内存占用。不同类型生物样本和分辨率板的测试结果进一步表明了系统的鲁棒性和抗噪性能,研究结果对生物医学领域具有重要意义。     

近红外二区花菁染料在疾病应用中的研究进展

由于具备组织散射少、穿透深度深、时空分辨率高等许多优势,近年来近红外二区（NIR-Ⅱ,1000～1700 nm）荧光成像在生物成像领域取得了显著的进展。基于花菁染料的有机荧光分子,具有荧光量子产率高、吸光系数高、合成过程相对简单、生物相容性好等优势,其在NIR-Ⅱ的荧光特性使其成为一类极具研究价值的分子探针,在医学应用方面展现出巨大的潜力。首先简要介绍了花菁染料的基本特性,其次对最近开发的近红外二区花菁染料在多种疾病（如肿瘤、炎症性疾病和损伤）应用中的最新研究进展进行总结,最后对其未来的发展方向与前景进行了展望。     

超分辨荧光显微镜中的解卷积技术及应用（特邀）

超分辨荧光显微镜突破了光学衍射极限造成的空间分辨率限制,使得生物学家能够在生命体和细胞具有活性的状态下,对其功能与结构进行高精度动态记录,有望揭示更多重要的生命现象细节。然而,由于超分辨荧光显微技术的成像视场、深度、分辨率、速度等不易兼得,所以解卷积作为一种最有效且直接的求解逆问题的框架,被广泛应用于增强超分辨显微镜的时空分辨率。研究人员聚焦于通过相应算法设计实现高质量显微图像的重建,在一定程度上克服了超分辨荧光显微镜的硬件限制,可以更好地恢复生物信息。本文首先介绍了解卷积方法的基本原理及其发展历程,接着列举了不同解卷积技术在不同模态下的重建原理和效果以及这些技术在生物学上的应用,最后总结了基于深度学习的解卷积方法在超分辨荧光显微镜技术上的最新进展和未来的发展潜力,并对包括傅里叶环相关的定量评估图像重建质量的方法的最新进展进行了阐述。     

植入式荧光内窥显微技术及其在活体脑成像中的应用（特邀）

高时空分辨可视化技术是脑科学研究的重要工具。荧光显微成像技术在特异性、多样性、图像对比度和时空分辨率等方面具有显著优势,但由于光在组织中的穿透深度有限,无创的荧光成像难以在活体水平获取深层脑区神经血管单元的高分辨结构和功能信息。因此,在脑科学研究中,荧光内窥显微成像技术受到越来越多研究者的青睐。得益于相关科学技术的发展,内窥镜探头在保持高性能的同时,实现了小型化并提供了更大的灵活性,可以植入活体大脑的不同深度处,开展特定深层脑区的功能调控研究。本综述介绍了基于梯度折射率透镜和单根多模光纤这两种探头的植入式荧光内窥显微成像技术及其发展和迭代进程,概述了它们在高分辨活体脑成像研究中的应用,以及在临床神经外科手术中的初步探索性应用。最后,展望了荧光内窥脑成像技术未来的发展前景。     

受激拉曼散射显微技术在生物科学中的应用

受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)显微技术,可以通过探测分子的特定振动模式,实现对活细胞的无标记和新型非荧光标记成像。由于SRS显微术具有较高的化学特异性,在生命科学成像领域具有极大的应用潜力。本文简要介绍了SRS显微技术的原理,同时总结了其在脂类、核酸和蛋白质等生物分子,以及在组织结构、小分子药物和食品分析中的应用。     

快速三维荧光显微成像技术的研究进展（特邀）

荧光显微成像具有高分辨率、高灵敏度、高分子特异性以及非介入性的优点,可以在微米乃至纳米尺度下表征样本的形态学与分子功能学信息,成为了生命科学研究的重要工具。随着微观生物学研究的不断深入,荧光显微成像被期待能够动态且立体地观测微观生物结构与分子事件。文中系统性地梳理了近年来快速三维荧光显微成像技术的研究进展,包括点扫描式成像、宽场成像与投影断层成像在提高成像速度、拓展成像维度以及增强成像质量等方面的主要技术手段、改进策略与代表性研究成果,并展望了快速三维荧光显微成像技术的未来挑战与发展前景。     

全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展（特邀）

散射是光学成像中普遍存在的现象,成像路径中存在的烟雾、水体、生物组织等散射介质导致光束发生随机散射效应,使得像面处目标信息以杂乱无章的散斑形式存在,如何应对散射介质对成像的限制是当前光学成像领域的研究热点。全息技术能够记录和重建物体全部信息,是获取和解译光场信息的有力工具之一。近年来,传统全息以及相关全息理论被推广应用至散射成像领域,取得了一系列突破性成果,文中主要介绍与归纳了散射成像领域中应用全息技术的理论原理、发展历史及最新进展,并展望其发展前景。     

单分子三维取向超分辨成像技术进展（特邀）

超分辨显微成像技术自诞生以来,凭借其优异的纳米级空间分辨率,已成为生命科学研究中精准揭示复杂生命现象的重要成像技术。其中,基于单分子定位的超分辨成像策略,使得定位、观察、研究单个探针分子独特的理、化、光学性能成为可能。偏振作为荧光信号的一个重要特性,近年来伴随着单分子三维取向成像技术的发展,逐步在单分子成像和超分辨领域中展示出诸多新颖且重要的应用特性。本文总结了单分子三维取向超分辨成像技术的最新进展,介绍并分析了两类主要的单分子三维取向荧光显微技术——基于荧光吸收与辐射偏振调制的单分子三维取向成像方法以及利用点扩散函数工程将单个荧光分子的三维取向信息编码到荧光图像上的成像策略。此外,还探讨了应用于活细胞或单颗粒的其他类型的超分辨取向成像技术。最后,针对单分子三维取向超分辨成像技术发展与应用前景面临的挑战,进行了总结与展望。     

大鼠早期急性心肌缺血的双光子荧光成像及分析

双光子荧光显微成像技术具有较低的光漂白与光损伤、较佳的成像对比度、较深的穿透深度等优点。采用结扎大鼠冠状动脉左前降支的方法建立急性心肌缺血模型,通过双光子荧光显微成像技术获得不同结扎时间下大鼠左心室前壁心肌组织的双光子荧光图像。从中分析了不同结扎时间下心肌组织的形态学变化,实现对心肌组织损伤范围的确定;并对双光子荧光图像进行快速傅里叶变换(FFT),使用方向指数这一参数对心肌缺血的程度进行初步的量化评估。结果表明,双光子荧光显微成像技术结合FFT分析技术,有望在心肌缺血性疾病的诊断和治疗中实时、快速、准确地判断心肌缺血的范围和评估其损伤程度。     

新的生物医学成像技术——光学相干显微术及其应用

光学相干显微术是一种新的成像技术，它能对高散射介质，如生物组织进行非介入的快速成像，其分辨率远大于Ｂ超，因而在活体生物组织的微结构分析和疾病诊断方面有重要的应用价值。     

OCT技术在生物组织中的应用

基于光学低相干反射测量而发展起来的光学相干层析技术（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ,简称ＯＣＴ）是一种新型的成像技术,它能对高散射介质如生物组织实施非侵入性的快速成像,因而在在体生物组织的微结构分析和疾病诊断等方面有重要应用。本文概述了ＯＣＴ技术在生物组织的成像、特性参数测量、双折射特性测量及流体测速等方面的应用情况。     

自适应光学在双光子显微成像技术中的应用

光学显微镜是生物医学研究必不可少的工具，其中双光子显微成像技术具有大深度三维显微成像功能，被认为是深层生物组织研究的首选工具。但是，在双光子成像系统使用过程中，光学系统的装配偏差、光学元件不理想以及生物样品的不均匀性都会在成像过程中引入像差，从而降低成像质量。通过在双光子显微成像系统中引入自适应光学技术，可实现对像差的有效校正，从而提高成像的分辨率、深度和视场。介绍了双光子显微成像中的像差来源和特点，概述了自适应光学技术中不同的探测和校正方法，综述了近年来自适应光学技术在双光子显微成像中不同的应用成果，最后对自适应光学在双光子显微成像中的发展进行了展望。