提起扇貝，你會想到什麼？蒜蓉和粉絲？這是很多人都喜歡的美妙搭配，但你可能不知道的是，這些美味居然是有眼睛的，而且多達200多隻！
扇貝長了200多隻眼睛，可以幫助它們發現如正在靠近的海星等捕食者。（圖/Wikipedia）
然而，扇貝的眼睛和人眼有著天壤之別。人類的眼睛是通過角膜和晶狀體的組合，在視網膜上形成圖像的；但在扇貝的眼睛裡，光是由一個半球面鏡聚焦的。這些眼睛，恰好啟發了蘇黎世大學的神經科學家，幫助他們開發了一種創新的顯微鏡物鏡。
新的設計一方面呼應了扇貝的眼睛，另一方面也用到了天文學中的反射望遠鏡。與傳統顯微鏡相比，這種新的顯微鏡能在更廣泛的浸沒介質中，對組織和器官進行高解析度成像。研究已於近日發表在《自然·生物技術》上。
扇貝的眼睛與施密特望遠鏡
在扇貝的數百隻眼睛中，每隻都包含一個彎曲的反射鏡，以及一個晶狀體。每個反射鏡都與充滿了液體的含有感光受體的空間直接接觸，用於成像；而晶狀體並不是負責成像的主要元素。
扇貝眼睛成像示意圖。（圖/ Fabian Voigt, F. et al., 2023）
這種晶狀體（透鏡）與反射鏡的組合，讓人聯想起在天文學中被廣泛使用的施密特望遠鏡。在天文望遠鏡中，用反射鏡而非透鏡來創造圖像更為常見，因為這可以儘可能多地捕捉行星、恆星和星系的光線。
寬視野反射望遠鏡的概念。（圖/ Fabian Voigt, F. et al., 2023）
20世紀初，天賦異稟的光學師施密特（Bernhard Schmidt）設計了至今仍被許多天文台使用的施密特望遠鏡。這種望遠鏡基於一面巨大的球面鏡和一個薄薄的非球面校正板，這種設計能夠在很寬的視場中都清晰成像。
在施密特的設計中，球面鏡不可避免地會出現嚴重的球面像差，但藉助一種非球面校正板，這個問題就能在光路被解決。因此，他設計了一種校正板，放在球面鏡之前，完美地抵消了球面像差。這在當時是相當創新的一種非常規的突破性設計。
但在用於研究生物微觀世界的顯微鏡中，反射鏡卻鮮少使用。
顯微鏡中的鏡面成像
大多數顯微鏡物鏡都非常緊湊，可以輕易組裝。但為了獲得最高的圖像質量，需要10到15片由不同類型的玻璃製成的透鏡，並且所有這些透鏡都必須經過精確的拋光、對齊、校準。正因如此，用於研究的顯微鏡物鏡的成本，占據了顯微鏡總成本的很大一部分。
除了相對精密而複雜的設計之外，許多商業物鏡的缺點是，它們通常只為一種特定的浸沒介質設計，比如空氣、水或者油。這意味著，每當面對需要不同浸沒介質的樣品時，就要購買新的物鏡。
在過去的很長一段時間裡，這都算不上是一個很大的問題。然而，近年來，能夠讓組織樣本變得透明的透明技術引起了生物學和病理學的極大興趣，可大多數透明技術使用的是與傳統顯微鏡物鏡不兼容的浸沒介質，使得透明技術在研究方面的巨大優勢仍然沒有完全發揮出來。
創新的設計思路
在新研究中，為了規避傳統顯微鏡物鏡的局限性，同時受到扇貝眼睛的啟發，蘇黎世大學神經科學家、業餘天文學家Fabian Voigt博士開發了一種非常規的方法，設計出了一台「迷你浸沒施密特望遠鏡」。
他意識到，可以用液體浸沒介質填充施密特望遠鏡，並將它縮小到顯微鏡的大小。由此產生的物鏡差不多就是一台微型「望遠鏡」，浸沒後仍能提供清晰的圖像，在任何均勻的液體以及空氣中都能提供出色的圖像質量。
這種非同尋常特徵是因為使用了反射鏡，而非透鏡。無論浸在液體中還是在空氣中，球面鏡都能將光聚焦在同一位置。這意味著施密特物鏡可以與許多不同的透明技術兼容。
研究人員結合了扇貝和天文望遠鏡的概念，設計了創新的多種浸沒介質的施密特顯微物鏡。（圖/ Fabian Voigt, F. et al., 2023）
為了證明這種創新方法的多功能性，研究團隊使用他們的原型施密特物鏡來研究各種樣品，包括小鼠的腦、蝌蚪和雞的胚胎。他們還能分析被透明化的人腦樣本。此外，這種新型物鏡還適用於測量活的年輕斑馬魚幼體腦中的神經元活動。
這種新型物鏡的原型可以帶來相當清晰的圖像，比如這些小鼠神經元。（圖/Anna Maria Reuss & Fabian Voigt）
明顯的優勢
在所有情況下，圖像質量都和傳統物鏡的質量相當，甚至更好。而施密特物鏡僅由兩個光學元件組成。與包含十幾片透鏡的傳統物鏡相比，這種創新的物鏡可以更經濟地製造。
研究人員表示，未來的應用還可能包括對腫瘤組織的檢查，或者對神經系統疾病的檢測。在這方面，扇貝也許為我們指明了提高醫療診斷的道路。
參考來源：
https://www.news.uzh.ch/en/articles/media/2023/Microscope.html
https://www.nature.com/articles/s41587-023-01717-8/
https://www.science.org/content/blog-post/completely-new-microscope-idea
封面圖/首圖：Anna Maria Reuss & Fabian Voigt