千兆像素3D显微镜以前所未有的细节捕捉生活

当几个勇敢的研究生用他们拼凑的显微镜拍下第一张照片时，结果比他们希望的要好。当然，一个部分有一个洞，另一个是颠倒的——但他们仍然可以找到沃尔多。

第二天，两人解决了他们的软件问题，并在经典的儿童益智书上展示了一个成功的原理验证设备。通过将24个智能手机摄像头组合到一个平台中并将它们的图像拼接在一起，他们创建了一个能够在一张纸大小的区域内拍摄千兆像素图像的相机。

六年，几次设计迭代和一家初创公司之后，研究人员做出了意想不到的发现。完善了将数十个具有亚像素分辨率的独立相机拼接在一起的过程，使他们能够看到物体的高度。

“这就像人类的视觉，”杜克大学生物医学工程助理教授Roarke Horstmeyer说。“如果你将多个视点合并在一起(就像你的两只眼睛一样)，你会从不同的角度看到物体，这给了你高度。当我们研究斑马鱼的同事第一次使用它时，他们被震撼了。它立即揭示了他们以前从未见过的涉及音高和深度的新行为。

在20月3日在线发表在Nature Photonics上的一篇论文中，Horstmeyer和他的同事展示了他们称为多相机阵列显微镜(MCAM)的新型高速3D千兆像素显微镜的功能。无论是记录数十条自由游动的斑马鱼行为的<>D电影，还是在非常宽的视野中以近乎细胞级的细节记录果蝇的梳理活动，该设备都为世界各地的研究人员开辟了新的可能性。

最新版本的MCAM依赖于54个镜头，其速度和分辨率都比发现Waldo的原型更高。基于最近与杜克大学Eva Naumann博士实验室密切合作完成的工作，创新软件使显微镜能够进行3D测量，在较小的尺度上提供更多细节并制作更流畅的电影。

然而，MCAM的高度并行化设计带来了自己的数据处理挑战，因为几分钟的记录可以产生超过TB的数据。“我们已经开发出新的算法，可以有效地处理这些非常大的视频数据集，”Horstmeyer实验室的博士后研究员，该论文的第一作者Kevin C. Zhou说。“我们的算法将物理学与机器学习相结合，融合来自所有摄像机的视频流，并跨空间和时间恢复3D行为信息。我们已经在Github上开源了我们的代码，供所有人试用。

在加州大学旧金山分校，马修·麦卡罗尔(Matthew McCarroll)观察斑马鱼暴露于神经活性药物的行为。通过寻找由于不同类别的药物而导致的行为变化，研究人员可以发现新的潜在治疗方法或更好地了解现有的治疗方法。

在论文中，麦卡罗尔和他的团队描述了由于使用这台相机，他们以前从未见过的有趣动作。MCAM的3D功能，加上其全方位的视图，使他们能够记录鱼的俯仰差异，无论它们是否趋向于水箱的顶部或底部，以及它们如何跟踪猎物。

“我们长期以来一直在用单镜头和相机建造自己的钻机，这对我们的目的来说效果很好，但这是在另一个层面上，”麦卡罗尔说，他是加州大学系统专业研究员系列中研究药物化学的独立科学家。“我们只是生物学家在修补光学。看到一个合法的物理学家能想出什么来使我们的实验变得更好，真是令人难以置信。

在杜克大学，细胞生物学教授米歇尔·巴格纳特(Michel Bagnat)的实验室也与斑马鱼一起工作。但是，研究人员没有观察药物引起的行为变化，而是研究动物如何在细胞水平上从卵子发育成完全形成的成年人。

在以前的研究中，研究人员需要麻醉和安装发育中的鱼，以保持它们在使用激光测量时保持稳定。但是，长时间将它们淘汰也可能导致它们的发展发生变化，从而扭曲实验的结果。在新的MCAM的帮助下，研究人员已经证明，他们能够在鱼不受阻碍地生活时获得所有这些测量值，不需要敲除或夹子。

“凭借这款显微镜的3D和荧光成像功能，它可以改变许多发育生物学家进行实验的方式，”Bagnat实验室的研究科学家兼实验室经理Jennifer Bagwell说。“特别是如果事实证明麻醉鱼会影响它们的发育，这是我们现在正在研究的事情。

除了在实验中追踪斑马鱼等小动物的整个群落外，Horstmeyer希望这项工作还将允许进行更大规模的自动化平行研究。例如，显微镜可以观察装有各种类器官的384孔板，以测试潜在的药物反应，记录每个微小实验的细胞反应并自主标记任何感兴趣的结果。

“现代实验室每天都变得越来越自动化，现在无需接触人手即可填充和维护大型孔板，”Horstmeyer说。“庞大的数据量正在创造对新技术的需求，这些新技术可以帮助自动跟踪和捕获结果。

与合著者Mark Harfouche一起，他是捕捉沃尔多第一张图像背后的大脑，Horstmeyer成立了一家名为Ramona Optics的初创公司，将该技术商业化。其早期许可商之一MIRA Imaging正在使用该技术对艺术品，收藏品和奢侈品进行“指纹识别”，以防止伪造和欺诈。

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