Оптическое рассеяние в биологических тканях фундаментально ограничивает возможности флуоресцентной микроскопии, разрушая пространственную и угловую информацию и тем самым сдерживая объёмную визуализацию. Несмотря на достижения в области рассеивающей микроскопии с применением ресурсоёмких аппаратных и вычислительных подходов, практическое трёхмерное изображение сквозь ткань по-прежнему ограничено сложностью инструментальной реализации и аксиальной неоднозначностью.
В настоящей работе представлена объёмная рассеивающая микроскопия (volumetric scattering microscopy, VSM) — безсканирующая оптико-вычислительная платформа для трёхмерной флуоресцентной микроскопии в рассеивающих биологических средах. VSM регистрирует углово-разрешённую спекл-кодированную флуоресценцию с использованием конфигурации апертурно-сегментированного фурье-светового поля и реконструирует объёмную структуру посредством адаптивного дескаттеринга на основе признаков и совместного выравнивания суб-зрачков.
Данная гибридная стратегия сохраняет угловую информацию, заложенную в рассеянном свете, без необходимости измерения волнового фронта или механического сканирования, при этом сохраняя простоту стандартной эпи-флуоресцентной архитектуры. Исследователи продемонстрировали высокодостоверную объёмную реконструкцию на фантомах, инженерных клеточных системах, экс-виво тканях с объёмной потерей мышечной ткани (volumetric muscle loss) и целых эмбрионах Xenopus, достигнув сохранённого пространственного разрешения, улучшенной оптической сечения и количественной точности в условиях сильного рассеяния.
VSM обеспечивает широкопольную, надёжную объёмную визуализацию как в слоистых, так и в полностью встроенных рассеивающих средах. Преобразуя рассеянный свет в структурированный ресурс кодирования, VSM создаёт масштабируемый путь к рутинной трёхмерной флуоресцентной микроскопии в сложных биологических системах.
Ключевые технические особенности метода включают использование апертурно-сегментированной конфигурации фурье-светового поля, что позволяет одновременно захватывать информацию о направлении распространения флуоресцентного света. Адаптивный дескаттеринг на основе признаков представляет собой вычислительный подход, который идентифицирует и корректирует искажения, вносимые рассеянием, используя статистические характеристики спекл-структур. Совместное выравнивание суб-зрачков обеспечивает точную реконструкцию трёхмерной геометрии без необходимости точного знания оптических свойств исследуемой среды.
Практическое значение разработки заключается в преодолении фундаментального ограничения современной флуоресцентной микроскопии — неспособности эффективно работать в рассеивающих средах, характерных для живых биологических тканей. Традиционные методы либо требуют сложной адаптивной оптики и волновых модуляторов, либо ограничены поверхностными слоями ткани. VSM предлагает компромиссное решение, сохраняющее доступность и простоту реализации при значительном расширении глубины и качества визуализации.
Применение метода к модели объёмной потери мышечной ткани демонстрирует его потенциал в исследовании регенеративных процессов и оценке терапевтических интервенций. Использование эмбрионов Xenopus — признанной модельной системы в биологии развития — подтверждает возможность неинвазивного наблюдения за морфогенетическими процессами в условиях, близких к физиологическим. Количественная точность реконструкций открывает перспективы для применения VSM в фармакологических исследованиях, где критически важна достоверная оценка распределения и концентрации меченых соединений.