在脑科学实验当中，科研人员常面临一个困境：想要看清活体动物大脑中大量神经元的活动，如果显微镜打光太亮，会损伤细胞，甚至扰乱大脑原本的生理状态；如果灯光调弱，获得的信号又微弱残缺，得不到可靠实验数据。
中国工程院院士、清华大学自动化系教授戴琼海团队为这一问题给出新解法——研发首光子事件感知荧光寿命成像方法（EFLIM），在保证成像质量的条件下，将高质量荧光寿命成像所需要的荧光分子数量降低99%。应用该技术，即便在光子极度匮乏的低光环境下，依然可以实现稳定的定量荧光寿命成像。相关成果近日发表于《自然·生物技术》杂志。
定量观测遭遇“硬约束”
生命科学，尤其是脑科学研究，对显微镜成像技术提出了很高现实要求：在介观尺度进行活体成像，不仅要看清单个神经元，还要同步记录大片脑区、上百万个细胞的实时活动。大视野、快速度、长时间记录，三者要同时兼顾。
“现在绝大多数活体荧光成像，依靠荧光的强度，也就是亮度来成像。”团队成员之一、清华大学自动化系副教授吴嘉敏道出实验中的痛点，“亮度信号很直观，但干扰源特别多。荧光探针分布不均、激发光源波动、生物组织散射、小动物实验样本扭动、光漂白效应等，任何一项都会引起图像亮度的改变。做实验的时候，我们经常分不清信号起伏来自细胞真实的生理活动，还是外界干扰带来的假象。定量分析就成了难题。”
为了规避亮度成像的缺陷，科研团队在实验室采用了荧光寿命成像（FLIM）技术。该技术不依赖荧光强度，而是测量荧光分子受激发之后的存活时间，即荧光寿命。这一物理参数不受探针浓度和光源功率的干扰，还可以反馈细胞内部微环境、蛋白相互作用，是非常理想的定量观测手段。
然而，将FLIM应用到大视野活体实验时，却遇上了物理条件的“硬约束”。传统FLIM要拿到可靠结果，需要对每一个像素点进行多次重复激发，收集足够数量的光子，再通过统计直方图计算荧光寿命。
“当视野扩大、成像提速之后，分摊到每个像素的光子数就会变少。”吴嘉敏介绍，“想要攒够统计用的光子，只有两条途径：增强光照，或者拉长拍摄时间。但强光会带来光毒性，伤害活体细胞；拉长时间，又跟不上神经信号转瞬即逝的变化。这就是过去FLIM很难大规模用于活体介观观测的核心原因。”
计算成像突破物理边界
研究初期，团队沿着传统技术路线反复调试算法，但始终很难突破物理天花板。在一次组会上，研究人员提出一个关键的问题：是不是必须攒够一大堆光子，才能做荧光寿命统计？正是这个疑问，成为整个项目思路的转折点。
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