斑马鱼是生命科学研究中最常用的模式生物之一，在再生生物学、发育生物学、免疫学、神经生物学以及疾病模型药物筛选中被广泛应用。由于其具有体型小、生命周期短、饲养环境简单和成本低等特点，在大规模遗传发育研究和药物筛选方面具有明显优势。然而，目前实际开展科学研究过程中主要以手工分拣筛选和利用传统显微镜进行局部成像为主，其工作量大但数据采集效率低下，无法有效发挥微小模式动物的自身优势，无法实现大规模分析，不能适应中大规模遗传／药物筛选需求。
斑马鱼胚胎同时具有通体透明的特点，非常适合于光学显微镜下的活体观测。光片显微技术（Light-sheet microscopy）是一种新型的三维成像方式，其具有光毒性小、扫描速度快等特点。然而针对毫米级的模式生物如斑马鱼、线虫等，光片成像需要复杂的样品准备流程，并且由于视场限制，获得全胚胎的三维数据往往需要多区域成像与拼接，一条受精后3天左右的斑马鱼整个三维成像大约需要15分钟左右，这严重限制了该技术的成像通量。
针对这一制约生命科学研究的瓶颈问题，中科院苏州医工所李辉课题组与中科院营养健康所潘巍峻课题组展开合作，提出了基于流式光片的高通量显微成像技术LS-FIS（light-sheet flow imaging system）。LS-FIS创新性地将流式成像技术与光片照明技术相结合，通过设计液流与光学耦合系统，结合精密的进取样控制时序与三维重建算法，实现了200 胚胎/小时的高通量三维成像。
利用该技术，研究人员进行了斑马鱼躯干及头部血管发育研究，统计并分析了受精后3到9天的斑马鱼节间血管三维长度及眼部晶状体血管网形态变化。实验共获得超过500条全胚胎斑马鱼三维图像，典型成像结果如图1所示。这是目前已知首次报道的大规模全鱼三维成像数据。相关结果发表于Biomedical Optics Express上（V13（2022），pp. 5344-5357）。论文第一作者为杨光助理研究员，通讯作者为李辉研究员。
论文链接：https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-13-10-5344&id=502612
图1. 高通量三维成像系统LS-FIS的原理图（左）和针对上百条斑马鱼3-9天血管发育过程的统计研究
该团队研发的高通量三维成像系统LS-FIS样机已经多次迭代验证，设计了合理的光机系统结构和外观，开发了简洁易用的软件界面。样机在中科院营养健康所和神经所试用，已具有较好的稳定性和可靠性，并在2021年全国斑马鱼大会上展出，受到了广泛关注。
图2 高通量三维成像系统LS-FIS实物样机（上）和在2021年全国斑马鱼大会上展出（下）。
该团队进一步开发了相关的图像分析处理算法来应对LS-FIS拍摄到的大量三维图像数据自动化分析处理的需求。针对斑马鱼节间血管，提出了一种多尺度特征的三维卷积神经网络（MS-3D U-Net），通过多尺度特征学习和基于硬注意力机制的损失函数，实现了对三维图像的血管分割和识别，识别准确度达到90%以上（AUC值）。基于MS-3D U-Net，对24小时连续观测的斑马鱼胚胎三维图像数据进行自动分割处理和测量，绘制了节间血管和背侧纵向吻合血管的发育曲线。相关文章发表在Biomedical Optics Express 上（V 13（2022），pp. 2896-2908）。论文第一作者为硕士生殷静怡，通讯作者为王林波助理研究员。
论文链接：https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-13-5-2896&id=471611
本工作得到中国科学院仪器装备研制，国家自然科学基金，苏州市高新区领军人才等项目的支持。
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