因為(wei) 在長時間跨度內(nei) 對三維組織中毫秒級的瞬態細胞活動進行觀察是生物學經常要麵對的問題，所以，如何從(cong) 目標中提取更多的時空信息是生物學中反複出現的挑戰。目前已有幾種成像技術，包括落射熒光和平麵照明方法，可以以高空間分辨率對活體(ti) 樣本在三個(ge) 維度進行成像。然而，它們(men) 需要記錄大量二維圖像來產(chan) 生三維體(ti) 積，並且時間分辨率因相機需要采集多幀而受到影響。
Nature Methods:基於(yu) 深度學習(xi) 和光場顯微鏡的實時生物動力學體(ti) 積重建
技術背景：
因為(wei) 在長時間跨度內(nei) 對三維組織中毫秒級的瞬態細胞活動進行觀察是生物學經常要麵對的問題，所以，如何從(cong) 目標中提取更多的時空信息是生物學中反複出現的挑戰。目前已有幾種成像技術，包括落射熒光和平麵照明方法，可以以高空間分辨率對活體(ti) 樣本在三個(ge) 維度進行成像。然而，它們(men) 需要記錄大量二維圖像來產(chan) 生三維體(ti) 積，並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(wei) 瞬時體(ti) 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(ge) 二維相機幀上，然後通過後處理恢複三維光場分布。由於(yu) LFM 提供僅(jin) 受相機幀速率限製的高速體(ti) 積成像，它在各種国产成人在线观看免费网站展示了它的能力，例如神經元活動的記錄和體(ti) 模中心髒動力學的可視化。
當前不足：
盡管LFM體(ti) 積成像速度快，且取得了不少進展。但是由於(yu) 其空間分辨率存在分辨率不均勻和分辨率低的缺點，以及重建速度慢、重建圖像存在偽(wei) 影等問題，極大的限製了LFM進入那些需要高時空分辨率的生物国产成人在线观看免费网站，如以單細胞空間分辨率觀測毫秒級的生物活動類国产成人在线观看免费网站。雖然可以通過優(you) 化記錄光場的方式來緩解這些問題，但額外的係統複雜性可能會(hui) 阻礙 LFM 技術的廣泛傳(chuan) 播。此外，當前的 LFM 依賴於(yu) 計算要求高的迭代複原過程，這限製了 LFM 重建的整體(ti) 吞吐量，損害了其長期国产成人在线观看免费网站的潛力。
文章創新點：
基於(yu) 此，華中科技大學的Zhaoqiang Wang(第一作者)和Peng Fei(通訊作者)提出了一種將視角通道深度神經網絡（view-channel-depth neural network, VCD）與(yu) LFM結合的技術，稱為(wei) VCD-LFM。這種技術可以產(chan) 生無偽(wei) 影的三維圖像序列，且具有均勻的空間分辨率，重建吞吐量達到高視頻幀率。
原理解析：
為(wei) 了創建網絡訓練數據，首先使用合成或實驗方法獲得了靜止樣本的高分辨率三維圖像作為(wei) ground-truth（圖1a）。VCD-LFM利用LFM的波動模型，從(cong) ground-truth合成二維光場圖像，將合成圖像和ground-truth配對作為(wei) 網絡的輸入，用於(yu) 網絡訓練。VCD網絡（VCD－Net）設計成每個(ge) 合成光場圖像首先被重新排列成不同的視角，從(cong) 中提取特征並將其合並到每個(ge) 卷積層的多個(ge) 通道中。然後將最終輸出通道分配給代表不同深度的多個(ge) 平麵以生成圖像堆棧（image stack）。使用級聯卷積層（U-Net 架構、見圖２）重複提取特征，該VCD程序生成了中間三維重建（圖1b，步驟２）。像素均方誤差被計為(wei) 損失函數，以表示這些輸出與(yu) ground-truth的差異。通過迭代最小化損失函數（圖1b，步驟 3），深度學習(xi) VCD－Net被逐漸強化，直到它可以在整個(ge) 成像深度推測出均勻分辨率的三維高保真信號為(wei) 止。在對 gigavoxels 數據進行訓練後，該網絡能夠實現動態過程的連續光場測量的 VCD 轉換，並以高達 13 volumes／ｓ的速率推測出一係列 3D 體(ti) 積（圖1b，步驟４）。
視頻１：跳動的胚胎斑馬魚心髒中心肌（綠色）和血細胞（紅色）的雙色成像。VCD-LFM 采集血細胞圖像，心肌圖像由光片熒光顯微鏡獲得。 視頻顯示了紅細胞如何流過跳動的心肌。比例尺，50 μm。
參考文獻：Wang, Z., Zhu, L., Zhang, H. et al. Real-time volumetric reconstruction of biological dynamics with light-field microscopy and deep learning. Nat Methods 18, 551–556 (2021).
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