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可即時精確顯示大腦神經活動的新型無透鏡顯微內視鏡

出處 JHU(約翰·霍普金斯大學) 作者 劉聖哲摘譯 年份 2020/01/08
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2020年1月
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       最近有一組「約翰·霍普金斯大學(Johns Hopkins University, JHU)」跨領域研究團隊宣稱:他們創造出至今為止,全世界最小、最先進的「無透鏡顯微內視鏡(lens-free micro-endoscope)」,它只有幾根毛髮的寬度,就能對非常微小的物體清晰成像;尤其是對不同距離的物體,不需要移動此內視鏡也能夠聚焦。研究團隊將這項發明的成果發表在12月號的《科學前緣(Science Advances)》期刊上。
  目前已經有一些最新的大腦研究技術,可以使科學家觀察到大腦對應不同的外來刺激,哪些神經元會產生反應。儘管這些技術的特點非常出色,科學家還是需要以「超小型顯微內視鏡(Ultra-miniaturized micro-endoscope)」才能看清他們正在研究的部分,這種「微創式」的內視鏡能深入大腦,幫助科學家觀察深層的大腦活動。不過,為了儘可能減少對大腦組織的損害,侵入的內視鏡當然是越細越好,但目前既有的內視鏡技術卻又不能無限制的細小,因為當內視鏡的透鏡鏡片很小時,影像失真會非常嚴重,其視野也大幅受限;此外,內視鏡之變焦多是以機械方式控制的,這也增加了操作的複雜度。
  要如何克服上述的困難呢?JHU研究團隊採行的解決方案是將「編碼光圈成像(coded-aperture imaging)」技術與「多核心光纖」結合起來,以創建出既細小又具有寬視野特性的無透鏡顯微內視鏡系統,成像基本原理如圖所示:圖A是傳統有透鏡多核心光纖成像示意圖;圖B則是JHU研究團隊提出的方案。基本上,圖B是將圖A的透鏡以一片帶有簡單二進位隨機網格圖案之扁平空間遮罩(mask),也就是所謂的「編碼光圈」代替。編碼光圈會將由物體傳播到光纖表面的光加以「調變(modulates)」,這會使取得的影像是模糊混亂的,但該影像卻帶有大量來自物體的資訊,用電腦以特殊演算法去計算這些資訊,最後就能把清晰的影像建構還原出來。同時演算法還能計算出在細小的3維空間中,光的來源分布如何,如此,不需要移動顯微內視鏡,就能自動對不同深度物體的調整影像焦距。
  未來研究團隊還會繼續使用能將大腦活動的神經元予以標記之「螢光標記程序(fluorescent labeling procedures)」來測試他們的無透鏡顯微內視鏡,以進一步提升該內視鏡對神經活動成像之精確度。