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高感度的新型感光器:像素前的微分光器!

Scimage
・2013/04/21 ・425字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

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彩色相機一直以來感光的極限都受限於因為要彩色成像,需要有不同的感測區塊加上濾片來測不同顏色的光,所以每個像素上的光很多都被浪費了。

以往的一個解決方式是利用分光鏡把不同波長的光投影到不同的CCD上,所以有所謂三CCD的攝影機。但是這樣的解決方案成本太高,無法普及。現在有公司開發出放在像素前的小分光器,可以把不同顏色的光導向不同的畫素,這樣一來就沒有因未使用濾鏡而被浪費的光,也可以整合進目前的感光元件設計。

這種小分光器的設計是利用光在小結構傳播時有波動的特性,所以不同波長的光的傳播對尺度很敏感,只要經過仔細的光學運算就可以設計出讓不同的光走不同路徑的微分光器。實際的裝置有設計出紅色跟藍色的分光器,可以把紅色跟藍色的光分到周圍的像素,也開發出了新的光學計算軟體。這樣的新型感測器或許有一天就會用在新的相機上,讓相機有更高的感光度跟夜拍的能力!

轉載自 Scimage 科學影像

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光學顯微技術探入果蠅腦袋最深處——描繪超高解析度的 3D 神經結構!
科技大觀園_96
・2021/08/30 ・3333字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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在常見的醫療影像技術中,有正子造影(PET)、磁振造影(MRI)及超音波等等,雖然
如何透過神經細胞彼此的連結產生進一步的功能,是21世紀科學界想破解的謎團。圖/Pixabay

大腦:人類未竟的疆土

當我望著無邊無際的蔚藍海洋、聽到浪花聲、感受微風的輕拂,喜悅地回想起和好友在此旅行的回憶,並決定拿起手機拍下眼前的美景,我是如何感知世界、如何儲存與提取記憶?我的情感、思想、決策與行為是如何發生的?這些心智行為的奧秘藏在擁有 860 億個神經細胞的大腦,是我之所以為我的關鍵。

究竟大腦如何運作?這些神經細胞是如何透過彼此的連結與交互作用產生進一步的功能?進入 21 世紀以來,美國、歐盟、日本、中國等紛紛成立大型且長期的腦科學研究計畫,企圖揭開大腦的奧秘。

我國科技部也推出「台灣腦科技發展及國際躍升計畫」,整合既有研究能量與專業人才,期望建構模式動物至部分人腦的腦神經網路結構及功能圖譜,並帶動腦部疾病的精準醫療。

光學顯微鏡:小動物腦研究的利器

想要全面分析大腦的結構與訊號,解開單一或一群神經細胞的連結情形,精良的觀測工具是其根本,因此臺大物理系教授朱士維致力研發先進的光學顯微鏡技術。

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朱士維表示,常用於醫療的影像技術,像是正子造影(PET)、磁振造影(MRI)、超音波等,雖然可以穿透很深的物體,但是解析度不夠高,無法看到單一細胞;而解析度極高的電子顯微鏡穿透深度卻很小,只能看到表層。光學顯微鏡恰好介在中間,適合用於研究小動物的腦。近期,朱士維的跨領域團隊發表了數個嶄新的顯微技術,分別在解析神經訊號和結構有了重大突破。

數個影像技術在解析度與穿透深度的分布。圖/朱士維提供

飆速3D攝影,解析神經的功能性連結

首先,研究團隊發表了「高速體積成像系統」,是全球第一次可在活體果蠅腦中以毫秒解析度取得神經結構 3D 高速動態影像!

「高速體積成像系統」是由雙光子顯微鏡與「可調變的聲波漸層透鏡」(TAG)結合構成。拍攝二維的動態影像並不稀奇,厲害的是,研究團隊如何把二維變成三維?關鍵就在於「可調變的聲波漸層透鏡」。由於液體透鏡的密度,會決定光的折射率,進而影響焦距的長短,研究團隊透過壓電材料激發液體透鏡共振,當透鏡的密度不斷變化,焦點也會快速移動,其振盪頻率可高達 100 kHz – 1 MHz,也就是說,在 10 萬分之一秒以內即可完成焦點的來回移動。

「可調變的聲波漸層透鏡」(TAG)放置在物鏡前面,透過壓電材料促使TAG密度改變,進而移動焦點位置。圖/朱士維提供
焦點快速移動的示意動畫。圖/朱士維提供

一般雙光子顯微鏡每拍攝一次只能拍到水平面(xy 軸)的像素並組成二維影像,若加上「可調變的聲波漸層透鏡」組成「高速體積成像系統」,即可同時進行深度(z 軸)的來回掃描,在同樣的時間內拍攝出一個包含各個深度的體積三維影像。 

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同樣的時間下,原本只能掃描一個水平面,有了「可調變的聲波漸層透鏡」,則可掃描完一個體積。圖/改自參考資料 2

這項強大的技術對於研究神經與神經之間的功能性連結非常有用,譬如說,想了解果蠅如何處理嗅覺訊號,我們可以給果蠅聞一種特殊氣體,以「高速體積成像系統」綜觀其腦,即可找出此特殊的嗅覺刺激會引發哪些下游神經反應。接著,選擇想深入研究的神經,將拍攝範圍鎖定在該神經所在的區域,便可以毫秒時間解析度與微米空間解析度,追蹤訊號在這些神經細胞之間的傳遞順序。 

朱士維表示,「高速體積成像系統」的突破之處,在於可以於腦中劃定任意形狀的空間,並以毫秒等級的時間解析度,看見目標神經中各個神經細胞的電生理動態行為。

研究團隊更進一步發展光學神經激發系統,用光精準地刺激個別神經,再透過「高速體積成像系統」,輔以自動化影像分析,精準定位有反應之神經區域,做到「全光學生理」觀察(all-optical physiology)。目前已成功解析果蠅的視覺神經迴路中,上下游的神經連結與編碼模式。

「高速體積成像系統」以高速動態影像研究神經細胞功能上的連結,為建立果蠅的「功能性全腦連結體(connectome)」提供強而有力的工具。

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探入果蠅腦深處,描繪超高解析度的 3D 結構

此外,在結構解析方面,顯微鏡光是能看到神經細胞還遠遠不足。神經細胞有樹突、軸突等向外延伸的纖維,有些纖維寬度只有 100 奈米,當兩條神經纖維緊鄰彼此,需要小於 100 奈米的解析度才能將它們區分開來。而且,神經纖維常常延伸至很遠的地方與其他神經細胞連結,因此顯微鏡的穿透深度,還須深至腦的最底層。

朱士維團隊發表了「深組織超解析光學技術」(Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing, COOL),在果蠅全腦中達成 20 奈米的超高空間解析度,剖析腦中神經的細微結構,能分辨出相鄰或彼此纏繞的神經纖維,藉以判斷神經連結的路徑。

三維的神經纖維分布圖像。「深組織超解析光學技術」可將兩條緊密交纏的神經纖維清楚分離開來。右下圖為相同神經與染色,傳統共軛焦影像無法分辨神經纖維的細緻結構。圖/朱士維提供

「深組織超解析光學技術」結合了四個關鍵技術,包含「螢光蛋白標定」、「共軛焦掃描顯微鏡」、「光學組織澄清技術」以及「定位顯微技術」。

「定位顯微技術」是 2014 年諾貝爾化學獎的得獎項目,透過操縱螢光分子輪流放光,再分別計算螢光分子的中心位置,打破光學顯微鏡的解析度極限,大幅提高解析度至接近 20 奈米。「光學組織澄清技術」則是江安世院士發明的 FocusClearTM 試劑,因其獨特的化學配方,讓生物組織各部位的折射率一致,呈現透明狀態。

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朱士維團隊找出可適用於腦組織的螢光分子並改善其放光能力,成功將定位顯微技術應用在果蠅腦,並且透過光學組織澄清技術讓腦組織透明化,減少組織的散射與像差,提高穿透深度,以及利用共軛焦掃描顯微鏡一層一層地掃描不同深度的影像。最終,組合成三維的超高解析影像。

這項技術最厲害之處在於可穿透厚度約 200 微米的果蠅腦,在果蠅全腦皆達成 20 奈米的解析度,可應用在建立果蠅全腦的神經連結網路。

跨領域團隊 開創顯微技術新紀元

這些研究成果仰賴跨領域的團隊,除了朱士維,還有清華大學腦科學研究中心主任、中央研究院院士江安世、中研院物理所副研究員林耿慧、清大工程與系統科學系副教授吳順吉、清大生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安、捷絡生技公司執行長林彥穎等人,共同參與研究。

諾貝爾生醫獎得主 Sydney Brenner 曾說:「科學的進展往往是始自新的技術」,腦科學作為 21 世紀科學界的兵家必爭之地,顯微技術的研發重要性不言可喻。朱士維團隊在動態的神經訊號與靜態的神經結構,皆發展出相應的顯微技術,可說是為腦科學領域開拓出令人期待的嶄新未來。

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朱士維團隊開發的兩種顯微技術比較表。圖/沈佩泠繪

參考資料

  1. K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, Y.-Y. Lin, K. Su, K.-L. Feng, S.-C. Wu, Y.-C. Lin, A.-S. Chiang, S.-W. Chu*, “Millisecond two-photon optical ribbon imaging for small-animal functional connectome study”, Opt. Lett. 44, 3190-3193 (2019). 
  2. C. Huang, C.-Y. Tai, K.-P. Yang, W.-K. Chang, K.-J. Hsu, C.-C. Hsiao, S.-C. Wu, Y.-Y. Lin*, A.-S. Chiang*, and S.-W. Chu*, “All-optical volumetric physiology for connectomics in dense neuronal structures”, iScience22, 133-146 (2019)
  3. H.-Y. Lin, L.-A. Chu, H. Yang, K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, K.-H. Lin, S.-W. Chu*, A.-S. Chiang, “Imaging through the whole brain of Drosophila at λ/20 super-resolution”, iScience14, 164-170 (2019). 
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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1124 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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知識大圖解:拆解全片幅數位單眼相機
知識大圖解_96
・2015/01/12 ・639字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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(點擊看大圖)

我們打開Nikon D600,檢查其內部組件

D600是Nikon出產的全片幅數位單眼反射式相機(DSLR),旨在提供消費者一台具備專業性能但價格平易近人的相機。

拜大小為35.9×24公釐的CMOS感光元件所賜,它的畫素高達2430萬像素。與D600價位相近的款式通常感光元件只有其一半或四分之一大,這是由於傳統的全片幅感光元件成本相當高,導致每一片矽晶片可生產的感光元件數量較少。

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以全片幅感光元件擷取的圖像由EXPEED 3成像引擎處理。EXPEED 3是內含多中央處理器(CPU)的媒體處理器,可以執行多重任務,例如色彩再現、灰階處理、影像銳化、伽馬校正和壓縮等。由於有多CPU,EXPEED 3成像引擎能夠平行執行多項任務,因此相機連拍速率可每秒高達5.5張。

與其他同樣高級的全片幅相機相較,D600最重要的特點是它輕便的設計──體積為14.2×11.2×8.1公分,重量也輕。而輕便背後的奧祕在於整合雙SD卡插槽,並選用體積較小的內部晶片和電板。

何謂全片幅?

全片幅單眼相機的感光元件相當於35mm底片的大小,主要優點是以全片幅感光元件拍攝的影像範圍較一般感光元件來得大,因此畫面不會被裁切,拍攝到的角度也更寬廣。舉例而言,一個24mm的鏡頭若是裝在全片幅相機上,則可拍攝到視角84度的影像,而焦距轉換率為1.5的一般相機則只有62度。除此之外,全片幅相機能應用於較大的感光點,進而取得更寬廣的動態範圍與更低的雜訊,因此影像即使過曝仍能保留細節。

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本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第04期(2015年1月號)

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知識大圖解_96
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