對於大部分光學顯微系統來說，實現類器官三維厚生物組織的無標記非侵入成像依舊是一大難題。主要原因之一在於解析度不夠，尤其是縱向解析度不夠高。
在廣域光學顯微系統中，視場中每個點的信號，是同時照明的相鄰點的疊加結果，不過這會讓圖片的對比度降低。
1955 年，美國科學家馬文·明斯基（Marvin Minsky）提出通過共聚焦顯微鏡來解決這個問題。
如今，儘管雷射掃描共聚焦螢光顯微鏡已被廣泛使用，但仍會帶來光漂白、化學和光毒性等副作用。
最近，研究人員造出一種名為人工智慧共聚焦顯微鏡（ACM，artificial confocal microscopy）的新器件，可以在未標記的標本上無損地實現三維高分辨成像、以及更高的靈敏度和化學特異性。
在商用雷射掃描共聚焦顯微鏡上，他們配備了定量相位成像模塊，這樣就能在相同視野中，獲取成對的相位和螢光圖像，並通過訓練卷積神經網絡來將前者轉換為後者。
期間，研究人員利用人工智慧共聚焦顯微鏡實現了海馬神經元和三維肝癌球體的三維高分辨無標記成像。
進一步地，在類球體密集生物組織中，他們使用人工智慧共聚焦顯微鏡去分割單個細胞核，以用於細胞計數、體積測量和干質量測量。
由於人工智慧共聚焦顯微鏡可以從厚生物樣品中非破壞性地提供定量動態數據，同時又保留了螢光成像中的化學特異性，故在胚胎研究、癌症研究、個性化醫療、藥物研究中具有不錯的應用前景。
舉例來說，在一些癌症研究課題中，相比二維單層生物組織，使用三維類器官的生物組織來做研究，會帶來更準確有效的成果。同時，三維厚生物組織可以更精確地檢測藥物效果，這時人工智慧共聚焦顯微鏡就可以發揮作用。
再比如在胚胎活性、檢測胚胎健康指數的研究中，使用標記成像的方法並不可行，那麼人工智慧共聚焦顯微鏡就可以「上陣」幫忙。此外，在一些生物組織工程的研究中比如人造三維器官的課題中，人工智慧共聚焦顯微鏡能以無標記、無侵入的方式，進行長時間的觀測。
日前，相關論文以《用於深度無標記成像的人工共聚焦顯微鏡》（Artificial confocal microscopy for deep label-free imaging）為題發在 Nature Photonics 上 [1]，目前在康奈爾大學工程學院 Chris Xu 教授課題組做博後研究的陳曦擔任第一作者兼共同通訊作者。
投稿過程中，評審專家建議該團隊針對人工智慧共聚焦顯微鏡的三維解析度與螢光共聚焦顯微鏡的解析度加以對比。課題組對此做出修改以後，更好地支撐了論文結論。
同時，評審專家還建議他們對量化雷射掃描相位成像系統的時間靈敏性做出量化。陳曦表示：「我們依據建議進行了測量，並與廣域相位成像系統做出了對比，來支持人工智慧共聚焦顯微鏡系統的高靈敏度。在論文的討論部分里，我們也更全面地論述了人工智慧共聚焦顯微鏡成像與螢光標記共聚焦成像區別，以及目前存在的局限性。」
多數讀者看到的只是一篇論文，然而在研究過程中，發生了一件讓陳曦可能這輩子都不會忘卻的事情。
她說：「搭建系統時，我們第一次看到了雷射掃描的相位圖像。相比之前的廣域相位成像系統，靈敏度和對比度都有很大提高。整個理論推導包含了大量與 Dr. Gabriel Popescu 的討論。可惜的是，在論文被接收之前，Dr. Popescu 於 2022 年 6 月在車禍中不幸離世，這給我們和甚至整個光學界都帶來很大打擊。」
對於一位科研人員來說，努力做出更好的成果，或許是告慰先人最好的方式。未來，陳曦不僅會繼續推進雷射掃描無標記成像系統的發展和應用，也會研究如何提高解析度和加深成像深度，並將在學界尋找教職。
參考資料：
1.Chen, X., Kandel, M.E., He, S. et al. Artificial confocal microscopy for deep label-free imaging. Nat. Photon. (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01140-6