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斑馬魚胚胎具有通體透明特點(diǎn)，適于光學(xué)顯微鏡下的活體觀測。光片顯微技術(shù)（Light-sheet microscopy）是一種新型的三維成像方式，具有光毒性小、掃描速度快等特點(diǎn)。針對斑馬魚、線蟲等毫米級模式生物，光片成像需復(fù)雜的樣品準(zhǔn)備流程，且由于視場限制，獲得全胚胎的三維數(shù)據(jù)往往需要多區(qū)域成像與拼接，一條受精后3天左右的斑馬魚整個(gè)三維成像大約需要15分鐘左右，限制了該技術(shù)的成像通量。

對此，中國科學(xué)院蘇州醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所李輝課題組、上海營養(yǎng)與健康研究所潘巍峻課題組合作，提出基于流式光片的高通量顯微成像技術(shù)LS-FIS（light-sheet flow imaging system）。LS-FIS創(chuàng)新性地將流式成像技術(shù)與光片照明技術(shù)相結(jié)合，通過設(shè)計(jì)液流與光學(xué)耦合系統(tǒng)，結(jié)合精密的進(jìn)取樣控制時(shí)序與三維重建算法，實(shí)現(xiàn)200胚胎/小時(shí)的高通量三維成像。

利用該技術(shù)，研究人員進(jìn)行了斑馬魚軀干及頭部血管發(fā)育研究，統(tǒng)計(jì)并分析了受精后3到9天的斑馬魚節(jié)間血管三維長度及眼部晶狀體血管網(wǎng)形態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)共獲得超過500條全胚胎斑馬魚三維圖像，這是目前已知首次報(bào)道的大規(guī)模全魚三維成像數(shù)據(jù)。

此外，研究人員進(jìn)一步開發(fā)了相關(guān)的圖像分析處理算法，以應(yīng)對LS-FIS拍攝到的大量三維圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析處理的需求。針對斑馬魚節(jié)間血管，提出一種多尺度特征的三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MS-3D U-Net），通過多尺度特征學(xué)習(xí)和基于硬注意力機(jī)制的損失函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對三維圖像的血管分割和識別，識別準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上（AUC值）。基于MS-3D U-Net，對24小時(shí)連續(xù)觀測的斑馬魚胚胎三維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分割處理和測量，繪制了節(jié)間血管和背側(cè)縱向吻合血管的發(fā)育曲線。

相關(guān)成果發(fā)表于Biomedical Optics Express。

高通量三維成像系統(tǒng)LS-FIS的原理圖和針對上百條斑馬魚3-9天血管發(fā)育過程的統(tǒng)計(jì)研究