中恢復功能性熒光信號)，這對于神經科學來說可能特別有意義。該方法也適用于訓練神經網絡，如通過多模光纖成像或通過薄或厚散射介質成像。此外，復雜介質本身已經發現可以看作是神經網絡的一種光學實現：連接權重是隨機矩陣的系數，非線性是相機檢測過程中強度的轉換，可以在不成像的情況下直接執行分類任務。這種光傳播的數學重構可以開辟非常有趣的光學計算研究途徑，特別是在任何使用大規模隨機矩陣乘法的計算問題中，包括儲備池計算(reservoir computing)、相位復原和計算成像等。(3)基于深度計算光學和成像的推理。計算成像是一個專注于光學和圖像處理協同設計的領域，例如增強計算相機的能力。盡管相機被用于執行 ...

同的隨機激活熒光團成像，可以實現納米級的重建分辨率。然而，對樣品透明性的要求，使得這些超分辨顯微鏡技術不可能用于被強散射介質(如生物組織、磨砂玻璃、粗糙墻角等)掩埋的物體。這些介質對光的吸收不強烈，但是擾亂了光路，產生像噪聲一樣的散斑圖樣，甚至使得樣品低分辨率的可視化都很難實現。許多方法已被證明可以克服散射效應并通過散射介質實現成像或聚焦。z直接的策略是利用彈道光子。然而，強散射介質會減少彈道光子的數量并極大地降低信號強度。某些技術需要導星(guide star)或進入散射介質的另一側，以在成像之前表征或反轉其散射效應，例如波前整形技術或傳輸矩陣測量。另一種方法依賴于光通過散射介質的記憶效應， ...

的結構處產生熒光。無標記成像是非侵入性的，以特異性為代價簡化了樣品制備，并避免了造影劑的任何可能的毒副作用。定量相位成像是無標記成像的一種，它依賴樣品和周圍介質的相位差(表現為折射率差)對透明結構成像。數字全息就是這樣一種常用的無標記手段，樣品的數字全息圖可以在焦平面外采集，然后在后處理中通過數值求解模擬波前傳播過程的衍射積分進行數字聚焦。數字全息已在生物學、診斷學和醫學、微流控和片上實驗室成像(lab on a chip)、三維追蹤、細胞力學、即時檢驗(point of care testing)、環境監測等領域得到了廣泛的應用。相襯層析(phase contrast tomography， ...

伸技術背景：熒光成像已廣泛應用于醫療實踐，隨著對光與生物組織相互作用認識的深入以及檢測技術成本的下降，熒光成像波長整體上從可見光區域不斷紅移到近紅外（NIR）區域。光在生物介質中傳播時的能量損失可歸咎于吸收衰減和散射干擾。吸收損耗決定了我們能否捕捉到信號，而散射信號總是降低圖像的清晰度。此外，生物組織過度吸收光可能會導致組織損傷。一些生物分子的自發熒光總是與有用信號混合在一起，zui終成為拍攝圖像的背景。因此，光吸收和散射對熒光圖像采集完全有害的根深蒂固的信念促使大多數研究人員追求具有z小光子吸收和散射的完美窗口用于生物成像。基于第二近紅外窗口(NIR-II)的生物熒光成像被普遍公認為具有更小 ...

分配其周圍的熒光信號(光子重新分配)，可提高線掃描方向上的空間分辨率。組合從多個視圖獲取的圖像體積進一步提升體積分辨率。舉例說明，體積分辨率提升5.3倍：從335nmX285nmX575nm提升到225nmX165nmX280nm。(4)動態三維結構光顯微成像。一維結構光使得采集速度下降了15倍(因為每個方向采集5張圖，共三個方向)，因此不適合實時超分辨應用。在這里，訓練一個殘差信道注意力網絡(residual channel attention network, RCAN)從衍射極限輸入預測一維超分辨圖像。當訓練數據所用樣本的方向是隨機的時候，只需要旋轉輸入圖像，然后重新作為訓練好的網絡輸入 ...

盾，這在實時熒光成像中被稱為“挫折金字塔(pyramid of frustration)”。在通常需要對多個平面進行軸向掃描的三維(3D)生物體中，情況變得更糟。一次實驗的時間窗口只能支持數百個體積采集，以避免總光劑量超過300 J/cm2 從而造成相當大的光損傷。LSM通過僅激發對焦區域以避免不必要的曝光來緩解該問題。帶有AO的晶格LSM進一步提高了透明生物體的時空分辨率，但小視野(FOV)和AO校正都限制了其大體積觀測時的速度。此外，由于組織不透明和空間限制，很難以亞細胞分辨率在哺乳動物組織中應用LSM。在哺乳動物中以亞細胞分辨率和低光子劑量進行長期、高速成像仍然是一個挑戰。在各種體積成像 ...

借助于鈣離子熒光指示劑，將神經元中鈣離子濃度的變化反映在熒光強度的變化上，從而可以推測神經元的活動（當前鈣成像常用的手段是雙光子顯微成像手段）。準確神經元提取和尖峰推斷（spike inference）是進行進一步分析的前提，這需要高信噪比鈣成像。然而，由于體內鈣瞬變(calcium transients)的低峰值積累和快速動態變化導致熒光光子的缺乏，使得鈣成像容易受到噪聲污染（即光子散粒噪聲和電子噪聲）的影響。獲得高信噪比鈣成像最直接的方法是提高激發光強度，但其導致的光漂白、光毒性和組織加熱對樣品健康和光敏生物過程不利。更有效的策略包括使用更亮的鈣指示劑和更先進的光電檢測技術 ，但在光子受限 ...

的深度上解析熒光的能力。技術要點：基于此，美國波士頓大學的Mitchell Clough(一作)和Jerry L. Chen(通訊)提出了一種四區域大視場雙光子顯微鏡(quad-area large FOV two-photon microscope, Quadroscope)，能夠在橫跨約5mm的總視場上實現四個可獨立靶向大腦區域的視場同時視頻幀率細胞級分辨率成像。作者展示了其在行為相關時間尺度上測量小鼠感覺運動皮層鈣活性的能力。(1)使用兩個獨立掃描引擎實現跨大視場同時成像，兩個掃描引擎使用相似的物鏡和相似的光學組件，結合自適應光學實現雙區域成像的分辨率增強。(2)引入基于焦平面單元(fo ...

積空間信息的熒光成像技術不同，這種四維成像方案有效地從空間尺度（例如視場 (FOV) 和空間分辨率）上減小了體積采集時間，從而使 LFM 成為生物系統高速體積成像的有效工具之一，并具有低光損傷的特點。新的 LFM 技術已經證明了其能夠應用于功能性腦成像，在數十至數百微米的深度保持細胞級空間分辨率，體積采集時間為 10 毫秒級。甚至，該方法zui近已被證明用于觀察單細胞標本的結構和動力學，具有接近衍射極限的三維空間分辨率、數微米的成像深度（足以覆蓋單個細胞的大部分體積），以及毫秒級的采集時間。對于傳統的 LFM，微透鏡陣列 (MLA) 放置在寬視場顯微鏡的原生像平面 (native image ...

術，包括落射熒光和平面照明方法，可以以高空間分辨率對活體樣本在三個維度進行成像。然而，它們需要記錄大量二維圖像來產生三維體積，并且時間分辨率因相機需要采集多幀而受到影響。光場顯微鏡 (light-field microscopy, LFM) 已成為瞬時體積成像的首選技術。它通過將瞬態三維光場信息記錄在單個二維相機幀上，然后通過后處理恢復三維光場分布。由于 LFM 提供僅受相機幀速率限制的高速體積成像，它在各種應用展示了它的能力，例如神經元活動的記錄和體模中心臟動力學的可視化。當前不足：盡管LFM體積成像速度快，且取得了不少進展。但是由于其空間分辨率存在分辨率不均勻和分辨率低的缺點，以及重建速度 ...