《Optical Methods for Life Sciences》專題介紹
華盛頓大學(xué)的Ruikang K. Wang教授團(tuán)隊(duì)則利用OCT成像方法，研究了在活體腦損傷后的小鼠中顱腦膜的形態(tài)變化，進(jìn)一步拓寬了OCT成像技術(shù)的應(yīng)用（下圖）。
生命科學(xué)與信息技術(shù)的發(fā)展與人類的健康、生活息息相關(guān)。運(yùn)用光電子學(xué)的原理與技術(shù)探索生命科學(xué)中的奧秘，對(duì)人類認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)、疾病的診斷與治療有巨大的幫助。各種光學(xué)探測(cè)與診療手段已在生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
常見的用于生命科學(xué)的光學(xué)手段主要包括：依靠光學(xué)顯微鏡對(duì)生物樣本的放大能力，來觀察肉眼難以分辨的微觀結(jié)構(gòu)；使用特殊的轉(zhuǎn)基因熒光蛋白或者化學(xué)熒光染料標(biāo)記生物樣本中的細(xì)胞，來獲得更高的圖像對(duì)比度和光學(xué)定位精度；借助具有光開關(guān)功能的細(xì)胞表面離子通道蛋白（如ChR2）或者光敏感的細(xì)胞電壓蛋白，來實(shí)現(xiàn)光對(duì)神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的精確控制或者抑制，從而提供一種有別于傳統(tǒng)電生理的非侵入式的神經(jīng)細(xì)胞操控手段。在疾病診療方面，以內(nèi)窺鏡為代表的醫(yī)用診療技術(shù)已非常成熟，為醫(yī)生在術(shù)前、術(shù)中精確地判斷病灶提供了重要幫助。其他諸如光聲成像、光譜分析成像和光學(xué)相干斷層成像等技術(shù)，也都在疾病診斷中發(fā)揮著重要作用。
Chinese Optics Letters (COL) 2017年第9期出版Optical Methods for Life Sciences 專題，發(fā)表了多個(gè)國(guó)際知名課題組的優(yōu)秀論文。華中科技大學(xué)駱清銘教授、付玲教授和意大利佛羅倫薩大學(xué)Francesco Pavone教授擔(dān)任專題編輯。
本專題中，香港中文大學(xué)的Shih-Chi Chen教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的成像技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了可以做快速光束整形的數(shù)字微鏡陣列和可以快速變焦的電子可調(diào)透鏡（下圖），實(shí)現(xiàn)了速度更快、分辨率更高的3D熒光成像，為高質(zhì)量的生物熒光成像提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的解決方案。
圖. 基于結(jié)構(gòu)光照明（SIM）和電子可調(diào)諧透鏡（ETL）的快速3D成像系統(tǒng)。上圖：系統(tǒng)光路圖示。下圖：（a-c）改變電子可調(diào)諧透鏡輸出電流，以觀察不同深度下花粉粒熒光圖像；（d-f）同樣的樣本下，通過z軸移動(dòng)樣本平移臺(tái)得到不同深度花粉粒熒光圖像。（圖片來自：Dongping Wang, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090004 (2017). ）
可視化大腦的組織結(jié)構(gòu)是神經(jīng)科學(xué)研究的基本需求。華中科技大學(xué)的付玲教授團(tuán)隊(duì)展示了大視場(chǎng)二次諧波顯微成像能夠區(qū)分小腦和腦干組織的分層和分區(qū)（下圖）。結(jié)合雙光子熒光成像和熒光標(biāo)記轉(zhuǎn)基因GAD67小鼠，證實(shí)二次諧波顯微鏡具有細(xì)胞分辨水平，并在二次諧波圖像上可以分析獲取不同分層和亞區(qū)的神經(jīng)元細(xì)胞密度。
圖. （a）二次諧波顯微鏡獲取的小腦腦干腦片的形態(tài)結(jié)構(gòu)圖；（b）二次諧波與（c）雙光子對(duì)熒光標(biāo)記轉(zhuǎn)基因GAD67小鼠腦片同時(shí)成像的結(jié)果；（d）是二次諧波與雙光子的疊加圖。黑色、藍(lán)色和白色箭頭分別示意分子層（ML）、蒲肯野細(xì)胞層（PCL）和顆粒細(xì)胞層(GL)的神經(jīng)元胞體。（圖片來自：Xiuli Liu, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090003 (2017). ）
深圳大學(xué)的屈軍樂教授團(tuán)隊(duì)使用基于SIFT（尺度不變特征變換）的圖像識(shí)別算法來分析熒光壽命顯微鏡拍攝的惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞在手術(shù)中的轉(zhuǎn)移過程（下圖）。這項(xiàng)工作為腦膠質(zhì)瘤等惡性腫瘤的術(shù)中切緣評(píng)估（intraoperative margin assessment）提供了一種快速簡(jiǎn)便的輔助手段，具有很好的應(yīng)用前景。
圖. 通過SIFT的算法分析在蘇木精-伊紅（hematoxylin and eosin，H&E）染色的腦膠質(zhì)瘤連續(xù)切片的熒光壽命圖像中細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）的分布和變化來識(shí)別有可能攜帶癌變信息的區(qū)域。（圖片來自：Danying Lin, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090006 (2017). ）
薩拉托夫國(guó)立研究大學(xué)的V. Tuchin教授團(tuán)隊(duì)使用激光散斑成像的方法，發(fā)現(xiàn)對(duì)于在由聲音誘導(dǎo)的血腦屏障打開現(xiàn)象中的大腦血液流動(dòng)靜脈表現(xiàn)得更為敏感，而不是大家通常認(rèn)為的微血管。這項(xiàng)工作給人們提供了與血腦屏障損傷相關(guān)的大腦血液流動(dòng)改變的更多信息。
除此之外，光學(xué)相干斷層成像（OCT）領(lǐng)域在近期也有新的進(jìn)展。例如，來自愛爾蘭國(guó)立高威大學(xué)的M. Leahy教授團(tuán)隊(duì)，從傳統(tǒng)的多參數(shù)OCT顯微圖像中得到了相位信息，這給傳統(tǒng)OCT圖像的分析提供了新的維度。德國(guó)耶拿大學(xué)的J. Popp教授團(tuán)隊(duì)將拉曼光譜成像和OCT成像技術(shù)結(jié)合起來，用來分析動(dòng)脈粥樣硬化的血小板分布情況（下圖）。
圖. 結(jié)合拉曼光譜成像和光學(xué)相干斷層成像，主動(dòng)脈壁的鈣化血小板沉積的光譜信息和OCT C-掃描圖像。（圖片來自：Kokila Egodage, et al . , Chinese Optics Letters 15 (9), 090008 (2017). ）
華盛頓大學(xué)的Ruikang K. Wang教授團(tuán)隊(duì)則利用OCT成像方法，研究了在活體腦損傷后的小鼠中顱腦膜的形態(tài)變化，進(jìn)一步拓寬了OCT成像技術(shù)的應(yīng)用（下圖）。
圖. 用光學(xué)相干斷層（OCT）觀察活體鼠腦在頭蓋骨磨薄處理后，硬膜下腔（subdural space）的打開現(xiàn)象。（圖片來自：Woo June Choi & Ruikang K. Wang, Chinese Optics Letters 15 (9), 090005 (2017). ）
生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展日新月異，或是提高光電系統(tǒng)的參數(shù)，或是設(shè)計(jì)改造生物學(xué)研究對(duì)象，或是應(yīng)用新的成像與傳感工具去解決生物醫(yī)學(xué)問題等。在當(dāng)今世界科技的滾滾大潮中，不斷發(fā)展的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)原理與技術(shù)必將在生命科學(xué)研究中發(fā)揮越來越重要的作用。
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