计算成像如何帮助推进脑功能的体内澳门威尼斯人注册网站研究
新的bu开发的可穿戴设备集成了微型光学和计算算法，可以在自由运动的动物中实现大脑皮质范围的细胞分辨率成像
澳门威尼斯人注册网站研究和了解大脑的能力取决于可用的技术。目前的可穿戴式脑成像技术受到视野小的限制。波士顿大学一个由CISE附属学院助理教授田磊（ECE）领导的跨学科团队正致力于通过开发一种名为计算微型介观镜（CM2）的新型大脑监测系统来改变这种状况。作为《科学进展》的封面，CM2将允许神经科学澳门威尼斯人注册网站研究人员通过对活动中的大脑进行大规模的细胞分辨率成像，从而提高对神经回路动态活动的理解。
“神经互动提供了澳门威尼斯人注册大脑工作方式和功能的重要信息，”田教授说。“像CM2这样的可穿戴设备旨在通过允许澳门威尼斯人注册网站研究人员在自然行为中自由移动的动物的体内实验来观察和澳门威尼斯人注册网站研究大脑，从而进一步澳门威尼斯人注册网站研究神经动力学和大脑活动。由于大脑区域之间的功能相互作用因动机状态和行为目标而异，因此来自自由运动动物的数据至关重要。”
虽然现有的技术可以对老鼠的大脑活动进行成像，但它们目前要么受到视野的限制，要么受到体积庞大的限制。目前的可穿戴微型荧光显微镜只能成像大约一平方毫米的视场。另一种桌面系统可以提供厘米级的视野，但需要将鼠标“头部固定”并固定。由于头部固定的老鼠无法四处移动，澳门威尼斯人注册网站研究人员无法在自由移动的行为中收集有价值的数据。
CM2克服了这些限制。该设备是同类设备中的第一个，可以产生厘米尺度的视野——比以前的微型显微镜大100倍——同时仍然提供单个神经元的分辨率。这种轻便的可穿戴设备提供了更大的视野和内置照明。更大的视野意味着澳门威尼斯人注册网站研究人员将能够记录整个大脑皮层表面的神经活动，而不是一个小的特定大脑区域。高分辨率确保澳门威尼斯人注册网站研究人员能够记录每个神经元的神经元活动。结合该设备的3D成像功能，它有望产生一些迄今为止最全面的大脑图像。CM2还允许在移动和交互过程中进行成像，因为该设备是可穿戴的，不需要固定鼠标。
光学和机器学习的交叉，以获得更清晰、完整的图像
CM2提供了扩展的成像能力，使用计算成像，通过算法增强光学。该设备的光学组件本身产生的图像由3D物体的多个视图组成。当经过重建算法处理后，产生高分辨率的三维重建。受复眼的启发，一组微透镜被创造出来，使设备能够聚焦于大脑的曲面。一个特殊设计的LED阵列与3d打印的光整形孔相结合，为体内大脑记录提供了所需的集成宽视场照明。
“在观察CM2的发展时，计算成像是必不可少的，”田说。“创造这样一个设备已经证明，通过利用光学和计算算法的相干联合设计，传统光学可以做得比以往任何时候都多。”
大脑组织中的光行为建模
除了设备开发之外，本文还首次通过实验分析和表征了光散射如何影响这种类型的微型计算显微镜设备的性能。澳门威尼斯人注册网站研究人员正在继续进行的分析可以帮助他们更好地模拟大脑组织中的光行为。
“开发这种新设备的工作是第一代版本和概念验证，”田说。“了解了微型介观镜所需的所有技术要求后，我们现在可以优化每个部件，以创造出更高效、更小型化的版本。”
跨学科团队带来必要的多元化专业知识
和田教授一起参与这项澳门威尼斯人注册网站研究的有大卫·a·博阿斯（BME， ECE），副教授伊恩•戴维森（生物）和CISE学生联盟于家村雪 （博士候选人ECE）都在学院的神经光子学中心的保护下工作
田教授的专长是计算机显微镜和成像，戴维森教授致力于理解与嗅觉相关的感知和行为的神经回路，博阿斯教授致力于推进光学、声学和光谱学神经光子技术，并指导神经光子学中心。鲍亚士意识到戴维森的合作是很自然的，因为戴维森正在开发一种小型的荧光显微镜，称为微型显微镜，用于对老鼠大脑进行成像。创建CM2的第一个概念验证的初步工作由院长催化剂奖（2018年）资助。
获奖学术认可
CM2已获得光学学会（OSA）和IEEE光子学学会的学术认可。由于他在CM2上的工作，他在OSA光学前沿（FiO）年会上获得了著名的Emil Wolf杰出学生论文奖。除了OSA奖，薛还是2020年IEEE光子学会议（IPC）最佳学生论文奖的决赛选手。
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这项工作得到了国家眼科澳门威尼斯人注册网站研究所（NEI） （R21EY030016）和波士顿大学院长催化剂奖的支持。