一種名為SIFOM(基于刺激和成像的功能性光學(xué)顯微鏡)的新型光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)可通過全息方法同時(shí)刺激多個(gè)細(xì)胞，并在刺激后使用基于熒光全息術(shù)的3D(三維)測量監(jiān)測細(xì)胞活性。該系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用作為重建失去的神經(jīng)通路，構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和食物資源開發(fā)的工具。SIFOM的概念和可行性檢查于11月1日在Optics Letter上發(fā)表，Optics Letter是光學(xué)和光子學(xué)研究領(lǐng)域的頂級期刊之一。

到目前為止，已經(jīng)開發(fā)出許多光學(xué)顯微鏡，例如相差顯微鏡，熒光顯微鏡，多光子顯微鏡和超分辨熒光顯微鏡。最近光學(xué)技術(shù)的突破使科學(xué)家們能夠在體外和體內(nèi)觀察細(xì)胞的超細(xì)結(jié)構(gòu)及其功能。我們現(xiàn)在可以使用光通過使用通道視紫紅質(zhì)或其他相關(guān)蛋白來操縱光遺傳學(xué)中的細(xì)胞活動。然而，目前用于操縱細(xì)胞活動的基于光遺傳學(xué)的光刺激過于簡單，使用LED或通過光纖的均勻曝光，因此只能進(jìn)行低水平的細(xì)胞操作。

這項(xiàng)研究提出了一種名為SIFOM的新型光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)。SIFOM由兩個(gè)子功能組成：基于數(shù)字全息術(shù)的細(xì)胞3D觀察和細(xì)胞3D刺激。這是第一臺配備可同時(shí)進(jìn)行3D觀察和刺激的技術(shù)的顯微鏡，它作為生命科學(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)性工具具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。使用高速無掃描攝影技術(shù)，我們可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲得有關(guān)3D空間中發(fā)生的多個(gè)事件的信息。

作為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)使用了大約10微米的肺癌細(xì)胞和熒光珠。他們從深度方向的焦點(diǎn)位置記錄了離焦?fàn)顟B(tài)的熒光全息圖，并實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞和熒光珠的重建。

該研究由Hiroaki Wake教授(神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)研究生院)和Osamu Matoba教授(神戶大學(xué)系統(tǒng)信息學(xué)研究生院)領(lǐng)導(dǎo)的多機(jī)構(gòu)跨學(xué)科合作研究小組與Yasuhiro Awatsuji教授(京都)合作進(jìn)行電氣工程與電子學(xué)院技術(shù)研究所)和宇昭義教授(宇都宮大學(xué)光學(xué)研究與教育中心)。

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)期間，他們能夠一次觀察到最多五個(gè)細(xì)胞的光刺激。確定刺激細(xì)胞的最大數(shù)量主要是因?yàn)闆]有足夠的光功率用于刺激。在2D(二維)空間中，預(yù)計(jì)可以對超過100個(gè)細(xì)胞進(jìn)行同時(shí)光刺激，并且在將來，該團(tuán)隊(duì)旨在使用雙光子刺激將刺激深度擴(kuò)展到幾百微米。

為了觀察活細(xì)胞，熒光的功率受到限制以避免破壞細(xì)胞，因此需要高靈敏度的測量。該團(tuán)隊(duì)旨在克服這些問題，并準(zhǔn)備新的光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)以供實(shí)際使用。Matoba教授評論說：“我們獲得日本JST CREST Grant編號JPMJCR1755的研究資助，用于制造SIFOM，然后將其應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。我們將與各公司合作，將新的光學(xué)顯微鏡引入商業(yè)市場。”