Nature Photonics | 以千兆像素3D显微镜捕捉生命的细节

来源：Duke University

       几个勇敢的研究生用他们拼凑的显微镜拍下第一张照片时，结果比他们希望的要好。当然，一个部分有一个洞，另一个部分颠倒了，但他们仍然可以找到Waldo。

       第二天，两人整理了他们的软件问题，并展示了一个成功的原理验证装置。通过将24个智能手机摄像头组合到一个平台中，并将它们的图像拼接在一起，他们创建了一个能够在一张纸大小的区域内拍摄千兆像素图像的摄像头。

       六年后，经过几次设计迭代和一家初创公司，研究人员做出了一个意想不到的发现。将数十台亚像素分辨率的相机拼接在一起的过程非常完美，这也让他们能够看到物体的高度。

       Roarke Horstmeyer说：“这就像人类的视觉。”。“如果你把多个视角融合在一起（就像你的两只眼睛一样），你会从不同的角度看到物体，这会给你带来高度。当我们研究斑马鱼的同事第一次使用它时，他们大吃一惊。它立即揭示了他们以前从未见过的涉及间距和深度的新行为。”

       相关研究发表在《Nature Photonics》，Horstmeyer和他的同事展示了他们新型高速3D千兆像素显微镜的功能，该显微镜被称为多相机阵列显微镜（MCAM）。无论是记录几十只自由游动的斑马鱼的行为的3D电影，还是在非常宽的视野内以接近细胞水平的细节记录果蝇的梳理活动，该设备都为世界各地的研究人员打开了新的可能性。

       最新版本的MCAM依靠54个镜头，其速度和分辨率都比发现Waldo的原型更高。在与杜克大学Eva Naumann博士实验室密切合作完成的最新工作的基础上，创新软件使显微镜能够进行3D测量，在更小的尺度上提供更多细节，并制作更流畅的电影。

       然而，MCAM的高度并行化设计也带来了数据处理方面的挑战，因为几分钟的记录可以产生超过1TB的数据。Horstmeyer实验室的博士后研究员、该论文的主要作者Kevin C.Zhou说：“我们开发了新的算法，可以有效地处理这些超大的视频数据集。”。“我们的算法将物理学与机器学习相结合，融合来自所有摄像机的视频流，并恢复跨越空间和时间的3D行为信息。我们在Github上开源了我们的代码，供所有人试用。”

1. Kevin Zhou, Parallelized computational 3D video microscopy of freely moving organisms at multiple gigapixels per second, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01171-7. www.nature.com/articles/s41566-023-01171-7