活体荧光显微镜成像常因折射率的不均匀分布所引起的光学像差而受到限制。自适应光学（AO）方法要么成本高昂且速度缓慢，需要额外的硬件设备，要么因缺乏多角度波前信息而导致准确性不足。

2026年4月23日，清华大学戴琼海，吴嘉敏和Zhi Lu共同通讯在Nature Biotechnology 在线发表题为“High-fidelity intravital imaging of biological dynamics with latent-space-enhanced digital adaptive optics”的研究论文。该研究提出了一种基于潜在空间增强的数字自适应光学（LEAO）方法，该方法利用嵌入在高维空间-角度数据中的波动光学先验知识，并在潜在空间中对这些表示进行语义解耦。LEAO方法在像差估计精度上比现有方法（基于坐标的神经表示用于计算自适应光学）提高了六倍以上。

该方法在不同系统配置和成像条件下展现出极强的鲁棒性，在极端条件下，例如信噪比低至3.4 dB时，其精度比迭代数字自适应光学方法提高了近一个数量级。作者通过实验证明，LEAO方法能够改善多种体内生物学观测效果，例如对整个淋巴结内T细胞的大规模追踪、小鼠皮层多区域神经记录，以及创伤性脑损伤后通过小鼠完整颅骨对中性粒细胞激活、外渗和清除过程的长期监测。

荧光光学显微镜一直是探究细胞与组织复杂多样世界的主流技术，为免疫学、神经科学和细胞生物学做出了巨大贡献。然而，深层组织中折射率非均匀分布或光学系统制造缺陷引起的光学像差，会导致光波前畸变，进而使荧光显微镜的成像性能下降。若未能对像差进行正确估计和校正，观测将受到阻碍，并且许多下游任务（如追踪和尖峰推断）也无法精确执行。

为校正由厚组织引起的畸变波前，研究者提出了多种自适应光学（AO）方法，通常分为硬件AO、计算AO以及两者结合的方式。硬件AO利用可变形镜等相位调制元件来补偿像差，但这增加了光学系统的复杂性，且可变形镜仅能基于几何光学进行离散补偿，导致精度降低。此外，在波前估计过程中，直接探测需要形成“导引星”，这并非总是可行的；而无需波前传感器的间接探测在处理更高校正模式及更复杂循环策略时会更加耗时。与硬件AO不同，深度学习计算AO方法通过直接从采集的图像中推断波前，并在后处理中应用数字补偿，从而保持了成像通量。尽管这些方法无需额外预算或时间，但因缺乏对解码波前畸变至关重要的空间-角度信息，它们只能处理通常小于1 的小像差。

近年来，一种称为数字AO（DAO）扫描光场互易迭代层析成像的框架应运而生，该框架协同结合了基于硬件的AO与计算AO方法。DAO利用光场显微镜（LFM）的空间-角度数据，在硬件层面物理解耦多角度信息；并通过算法对角维度间的差异进行迭代计算以实现像差估计。然而，该方法基于简化的几何光学近似，忽略了完整的波动光学物理模型，导致AO精度有限。需要一种更有效的工具来利用高维显微镜测量中嵌入的波动光学先验。神经网络已被证明是强大的特征提取器，并具备从空间-角度测量中表征具有物理意识的像差表示的能力。探究深度学习提取的特征，有助于从检测动态系统中的隐藏变量到识别单个颞下回面斑神经元中的语义解耦等广泛任务。

图1. LEAO的方法和表现（摘自Nature Biotechnology ）

在此，作者提出LEAO，一种潜在空间增强的数字AO方法。该方法采用自编码器来利用LFM空间-角度测量中嵌入的物理先验，并将其表示为潜在空间中的高维特征，同时保留波动光学特性。随后，应用定制的潜在损失函数，以促进编码结构信息与像差波前的潜在特征解耦，后者可由设计良好的估计器单独解码。通过迭代训练对自编码器与估计器进行联合优化后，作者的方法能够精确估计编码于空间-角度测量中的像差。全面的仿真证实，在像差幅度较大（1 至5 ）的情况下，作者的方法精度至少比代表性的基于深度学习的方法——基于坐标的神经表示计算AO（CoCoA）高六倍。LEAO的另一优势在于其面对各种挑战条件时的强鲁棒性。在存在高斯噪声和光子散粒噪声时，LEAO可耐受比DAO低三倍的荧光光子计数，且像差估计精度不受影响，直至信噪比（SNR）降至3.4 dB以下。

LEAO的性能在不同空间采样率以及五种不同系统模态下均保持稳定，几乎覆盖了所有基于光场的系统。LEAO对空间-角度测量中不同角度数量也表现出稳定性，其波动幅度比DAO低一个数量级以上。实验结果进一步证明了LEAO从像差污染中恢复高质量图像的能力

LEAO实现了对整个小鼠淋巴结中约5000个T细胞的同时高保真记录与追踪。经LEAO校正空间非均匀像差后，在皮层-wide水平上实现了具有一致精度的多区域神经活动介观分析。此外，作者将LEAO应用于穿颅成像，该技术可在不引入额外、不可控损伤（避免破坏实验设计）的情况下，实现小鼠脑的无创可视化。在校正后，作者观察到了创伤性脑损伤（TBI）小鼠骨髓中中性粒细胞激活、血管外渗出以及通过完整颅骨向主要静脉窦大规模浸润的长期、复杂过程，而由于严重像差，此前的手段无法实现此类观察。

参考消息：https://www.nature.com/articles/s41587-026-03107-2