斑马鱼高通量三维成像研究进展

斑马鱼胚胎透明，适合在光学显微镜下进行活体观察。光片显微术是一种新的三维成像方法，具有低光毒性和高扫描速度的特点。对于斑马鱼、线虫等毫米级模式生物，光膜成像需要复杂的样品制备过程，并且由于视场有限，获取整个胚胎的三维数据往往需要多区域成像和拼接。受精后约3天的斑马鱼的整个三维成像需要约15分钟，这限制了该技术的成像吞吐量。

对此，中国科学院苏州医学工程技术研究所李辉研究组和上海营养与健康研究所潘伟君研究组合作提出了基于流动光学片的高通量显微成像技术LS-FIS(Light-sheet Flow Imaging System，光片流动成像系统)。LS-FIS创新性地将流动成像技术与光膜照明技术相结合，通过设计液流与光学的耦合系统，结合精确的采样控制定时和三维重建算法，实现了200个胚胎/小时的高通量三维成像。

利用这一技术，研究人员研究了斑马鱼躯干和头部血管的发育，统计分析了斑马鱼节间血管的三维长度和受精后3至9天眼晶状体内血管网的形态变化。实验中获得了500多幅全胚胎斑马鱼的三维图像，这是已知的第一个大规模的全鱼三维成像数据。

此外，研究人员还进一步开发了相关的图像分析和处理算法，以满足LS-FIS捕获的大量三维图像数据的自动分析和处理的需要。提出了一种基于多尺度特征的斑马鱼节间血管三维卷积神经网络(MS-3D U-Net)。通过基于硬注意机制的多尺度特征学习和损失函数，对3D图像中的血管进行分割和识别，识别准确率可达90%以上(AUC值)。基于MS-3D U-Net，对连续观察24小时的斑马鱼胚胎三维图像数据进行自动分割和测量，绘制节间血管和背侧纵向吻合血管的发育曲线。

相关结果发表在《生物医学光学快报》上。

高通量三维成像系统LS-FIS示意图及数百条斑马鱼3-9天血管发育过程的统计研究