该研究由Zhaoqiang Wang, Ruixuan Zhao, Daniel A Wagenaar, Diego Espino, Liron Sheintuch, Ohr Benshlomo, Wenjun Kang, Calvin K. Lee, William C. Schmidt, Aryan Pammar, Enbo Zhu, Jing Wang, Gerard C.L. Wong, Rongguang Liang, Peyman Golshani, Tzung K. Hsiai, Liang Gao等合作完成，研究成果于2025年发表在期刊《nature methods》，文章标题为“Kilohertz volumetric imaging of in vivo dynamics using squeezed light field microscopy”。

重要发现
01技术原理与光学设计
SLIM的核心思想是通过光学的“压缩”与“旋转”编码，将传统光场显微镜（LFM）所需采集的四维光场信息（二维空间+二维角度）高效地压缩到二维相机传感器的一个狭长矩形区域（ROI）内。其光学系统关键包含一个多视角旋转模块和一个各向异性中继系统。多视角旋转模块由一系列不同角度的鸽翼棱镜（Dove Prism）和透镜阵列（Lenslet Array）组成，每个棱镜-透镜对产生一个特定旋转角度的子孔径图像。各向异性中继系统则使用两个正交的柱面双合透镜，对图像阵列进行异向缩放，在一个方向上（通常为垂直方向）进行0.2倍的 demagnification（“挤压”），而在另一方向（水平方向）保持原放大倍率。

这种设计的优势在于充分利用了现代CMOS传感器的特性。传感器的帧率仅与需要读出的像素行数成反比，而与列数无关。通过仅读取接收光信号的像素行（一个窄条状ROI），SLIM实现了远高于全帧模式的读出速度。例如，使用200x3200像素的ROI，SLIM能以1326 fps（16位）或7476 fps（8位）的速度记录19个子孔径图像，而全帧模式仅能提供83 fps或500 fps。

在计算重建方面，SLIM基于傅里叶切片定理和迭代反卷积算法（Richardson-Lucy）。每个经过挤压和旋转的子孔径图像，在三维傅里叶频谱中表现为一个椭圆形的切片。通过融合一系列具有互补旋转角度的子孔径图像，可以填补缺失的高频信息，合成出接近原始未压缩光场显微镜带宽的功率谱，从而高保真地重建出三维荧光分布。

02实验验证与成像性能
研究团队搭建了两套SLIM系统进行验证：一套采用宽场落射式照明，用于通过颅窗对小鼠进行成像；另一套采用选择性体积侧面照明（如扫描光片或狭缝限制的LED照明），用于斑马鱼幼虫和解剖的水蛭神经节等小样本，以抑制成像体积外的荧光，特别是在散射组织中。

通过对亚衍射尺寸荧光珠的成像，团队量化了SLIM的成像性能。在3.6倍的放大倍率下，其成像体积可达直径550微米 x 深度300微米，空间分辨率达到横向3.6微米，轴向6.0微米。SLIM每秒能够记录和重建高达73亿个有效体素（7.3 Gigavoxels per second），使其成为文献中最快的3D荧光显微镜之一。

在血流动力学应用中，SLIM以1000 vps的速率对转基因斑马鱼胚胎（红细胞表达DsRed）的大脑进行成像。重建结果揭示了红细胞的三维分布，并允许进行细胞追踪，从而量化了主动脉和静脉中脉冲式、空间变化的血流速度，最高可达6 mm/s。其千赫兹成像速度有效消除了运动模糊，实现了稳健的细胞追踪。团队进一步展示了其对自由摆动（无需镇静）斑马鱼尾部的高频摆动成像，清晰捕捉了红细胞在血管中的复合运动。

在神经电生理应用中，SLIM的能力得到了极致发挥。电压成像因其信号微弱（ΔF/F低）、瞬变极快（毫秒级），对成像系统的时间和灵敏度要求极高。研究团队对加载了电压敏感染料（FluoVolt）的药用水蛭神经节进行成像，同时使用细胞内微电极进行电生理刺激和记录作为金标准对照。

SLIM以800 vps的速率采集29个子孔径图像，成功重建出的三维图像序列足以精确采样神经元动作电位的时序和波形。光学测量结果与电生理记录在定量细节上高度一致，包括施加强去极化电流时 spike 幅度的降低。在另一项实验中，团队刺激水蛭神经节诱发“虚拟游泳”节律，SLIM清晰地记录到了不同运动神经元（DI-1, DE-3, VE-4等）中与游泳节律（1-1.5 Hz）特征一致的节律性活动，并通过相干性分析量化了各神经元参与节律生成的幅度和相位，其结果与预测模型高度吻合。

最引人注目的演示是在行为小鼠的海马体中进行电压成像。研究通过在CA1区表达基因编码电压指示剂（GEVI）pAce的小鼠颅窗，以800 Hz的体积速率连续成像三分钟，同时使用光学旋转编码器记录小鼠在跑步机上的运动。

SLIM提供了跨越大型体积的神经元群体电压信号的三维映射，允许从不同深度的神经元同时进行光学测量。从提取的膜电位轨迹中，不仅检测到了强烈的、与运动速度相关的动作电位调制，还观察到了海马体中常见的4-10 Hz频段的细微阈下膜电位振荡（ likely theta振荡）。信号保真度通过无活性神经元和背景区域缺乏此类活动得到进一步证实。大多数神经元的放电频率与运动速度呈正相关，这与先前发现一致。

03结合扫描照明提升分辨能力
尽管SLIM等光场技术具有数值重聚焦的能力，但通常缺乏内在的光学切片能力，对高密度标记的物体成像存在挑战。团队演示了将SLIM与扫描多平面光片照明相结合的策略。通过扫描光片并使用相机在每次扫描中捕获多个帧，每个帧对应不同的深度层，显著抑制了离焦光，提高了重建的轴向分辨率和对比度。

团队以300 vps的速率对跳动斑马鱼心脏（心肌表达GFP）进行成像。通过以300 Hz扫描双光片，并与相机以4800 fps（8位速度模式）记录同步，成功重建了跨越200微米深度范围的30个平面的心脏结构，心室小梁等微结构清晰可辨。增强的空间分辨率和对比度为心脏腔室几何形状的准确分割提供了可能，可用于区域心肌收缩力分析和血流动力学模拟。

创新与亮点
SLIM技术的核心创新在于它成功突破了高速三维荧光显微成像中固有的硬件带宽与有限光子预算之间的瓶颈难题。其技术创新体现在三个方面：

首先，它提出了一种全新的光学压缩编码策略。通过鸽翼棱镜阵列实现多角度旋转视图，再结合各向异性的中继系统进行单向图像“挤压”，SLIM巧妙地将传统上需要大面积传感器才能记录的四维光场信息，“压缩”到一个低格式的狭长传感器ROI内。这种设计是压缩传感思想在光学硬件上的巧妙实现，它基于光场固有的空-角相关性，从压缩测量中恢复信号，是区别于现有编码掩模、随机扩散片等压缩光场成像技术的根本性突破。

其次，SLIM实现了前所未有的超高时空分辨率乘积。其数据效率极高，每秒能产生高达73亿体素的有效信息量（7.3 Gigavoxels per second），在550x550x300 μm³的视野内，以千赫兹的速率（最高可达1326 vps）进行三维成像，同时保持微米级的分辨率。这将三维成像速度提升了一个数量级，使其能够捕捉毫秒级的瞬态生物过程，如神经动作电位和快速血流。

第三，SLIM展现了卓越的系统兼容性和实用性。它无需昂贵且通常性能有所妥协的超高速相机，而是通过优化光学设计，将普遍使用的科学级CMOS相机转化为千赫兹三维成像工具。其压缩测量大幅降低了数据读取和存储的带宽需求，使得长时间（如数分钟）连续记录大规模三维数据变得可行，这对于行为动物研究至关重要。同时，SLIM的设计可以改造现有的傅里叶光场显微镜，显著提升其成像速度。

总结与展望
SLIM（压缩光场显微镜）作为一种创新的snapshot三维探测技术，成功解决了对千赫兹速度运行的高速体积显微镜的迫切需求。它通过光学编码和计算重建，巧妙地利用了光场的空-角关联性和现代CMOS传感器的特性，实现了在超大视野下的千赫兹三维成像，同时保持了微米级空间分辨率。该技术在活体血流动力学、神经电压成像和心脏功能研究等多个挑战性应用中得到了验证。

展望未来，SLIM技术仍有进一步发展和优化的空间。当前重建算法依赖于样本的稀疏性先验，在处理复杂密集信号时性能可能会下降。未来的工作可以集中于开发更先进的重建算法，特别是嵌入物理模型的深度学习方法，以更好地解决SLIM中因有限空间带宽和压缩检测带来的病态逆问题，有望显著提升其分辨能力和适用场景。此外，与多层扫描光片照明的结合展示了通过权衡成像速度来换取更好光学切片能力的可行性，这种思路可以扩展到其他照明模式。随着相机技术的不断进步，SLIM的成像速度有望进一步提升至每秒数万甚至数十万体积，为探索生命科学中更快速的动态过程打开新的大门。总体而言，SLIM为在大型体积内跨层研究不同细胞类型之间的网络动态和相互作用提供了一个强大而 accessible 的成像工具，具有巨大的应用前景。

DOI:10.1101/2024.03.23.586416.