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作者:孙千 本文转载自公众号:老千和他的朋友们。原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/OlOeQjfga-9CJh4nOk-fuw

聚焦离子束(FIB)技术之所以应用广泛,源于离子束与样品相互作用时产生的丰富物理化学现象。在这一过程中,溅射效应实现了材料的精密去除,离化过程为成像提供了信号源,沉积反应构建起微纳结构,而晶格损伤则为材料改性开辟了新途径——这些多重效应的协同作用,共同奠定了FIB技术深厚的理论基础与广阔的应用前景。如图1所示,当前主流FIB加工技术已形成完整的层次化体系。

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1. 不同FIB技术的示意图:减材FIB加工,缺陷工程,成像与三维断层扫描,元素分析,气体辅助与非常规FIB加工


在现代科学研究中,复杂系统的多尺度成像技术正变得日益重要。以大脑神经信号传导机制或电池内部化学储能过程为例,研究者既需要把握整体的宏观大局“——最好能够呈现三维立体结构,又需要深入微观层面,实现单个原子级别的精细分辨。

正是基于这一需求,FIB技术展现出其核心价值。该技术通过多种途径实现多尺度成像目标:利用氦等轻离子进行高分辨率直接成像;结合FIB精密切片与SEM技术实现三维体积重构成像;以及为TEMAPT制备超薄截面和特定几何构型的样品。

1. 离子显微成像和分析简史

1932TEM问世以来,电镜在物质结构成像方面展现出巨大潜力,随后细菌和病毒颗粒的成功成像,进一步证实了其在生命科学领域的重要价值。然而,离子显微镜在成像领域的应用则经历了更为漫长的发展历程。

离子显微镜成像的开创性工作可追溯至1970年代,由Levi-Setti及其研究团队率先开展。他们尝试使用来自气体场离子源(GFIS)、能量高达65 keVH₂⁺离子进行扫描透射离子显微镜成像,并成功发表了兔肌肉肌原纤维的显微图像。

然而,由于离子显微镜的横向分辨率始终无法与电镜相提并论,直至2000年代初氦离子显微镜(HIM)问世,离子显微镜才真正实现纳米级成像应用。

离子显微镜在生物学亚细胞成像领域的重大突破,正如Ballerini等人所称的超级显微镜革命,发生在液态金属离子源(LMIS)产生的Ga离子束能够聚焦至优于10 nm精度的时期。研究人员意识到,离子束能够如同微型手术刀般精确切除样品,并可利用这种可控破坏过程获取高分辨率的三维结构、形态学和化学成分信息

因此,原本主要服务于半导体工业的基于FIB的显微成像和加工技术,在2000年左右成功引入生命科学研究领域。

这项技术随后在多个学科领域得到广泛采用。例如,Inkson等人于2001年首次报道了FIB断层成像技术在金属纳米复合材料三维表征中的应用,此后基于FIB的断层成像技术在冶金学、能源研究和地质学等领域日趋成熟,近年来甚至扩展至古生物学样本研究。

尽管早期研究有时采用Ga-FIB同时进行成像和切片操作,但FIB断层成像最常见的实现方式是采用FIB-SEM系统,该系统集成了用于精密铣削的Ga-FIB镜筒和用于观察截面的SEM。三维图像分割和重建技术的重大进展,使得通过FIB-SEM技术实现复杂样本三维结构的精确成像成为可能。

此外,冷冻FIB-SEM断层成像工作流程的开发,为细胞超微结构的完整保存提供了重要技术保障。这种冷冻工作流程现已扩展应用于其他束敏感样本的研究。

1概述了生命科学研究中采用的各种基于FIB的成像和分析模式。在所有列举的应用实例中,成像和分析操作主要在原位条件下进行,即在FIB-(SEM)仪器内部完成。

生命科学中基于FIB成像和分析的概述

应用

技术

实验

分子

 

蛋白质定位

冷冻FIB-SEM

使用金缀合抗体对RNA聚合酶II在玻璃化HeLa细胞中的蛋白质检测

HIM和荧光显微镜

量子点标记蛋白质的检测

 

代谢成像

ToF-SIMS

DNA生物传感器芯片上的蛋白质检测

OrbSIMS

小鼠海马神经递质分布的成像

病毒和纳米颗粒

 

病毒成像

 

HIM

使用轨道陷阱MS耦合到ToFParalecium   caudatum3D代谢成像

噬菌体感染、传输和细菌转运的成像

SARS-CoV-2感染Vero细胞的成像

 

 

纳米颗粒细胞相互作用

FIB-SEM

SARS-CoV-2在细胞细胞接触处病毒密度的研究

HIM

 

HIM-SIMS

生物纳米颗粒的HIM-SIMS研究

ToF-SIMS

藻类生物膜中纳米颗粒的3D成像

细胞级

微生物细胞成像

HIM

具有尖状矿物的硝酸盐还原细菌成像、古菌、掠食细菌

生物膜成像

HIM

硫磺还原菌Geobacter、喜马拉雅山热泉微生物垫、绿藻微藻

哺乳动物细胞和组织成像

HIM

HeLa细胞成像、人神经干细胞脂质纳米域可视化、肾脏成像

微生物细胞的3D成像和重建

(冷冻)FIB-SEM

酵母细胞的FIB-SEM、棘胞微藻的3D重建

细胞和组织的3D成像

(冷冻)FIB-SEM

FIB切片腺细胞成像、淋巴瘤组织、小鼠肺组织中的碳纳米管(CNTs)、烟草花瓣表皮、人骨

亚细胞元素映射

nanoSIMS, ToF-SIMS

暴露于天然抗菌粘土的大肠杆菌中的元素分布、嗜热性Acantharia-微藻共生系统中N/P比值的映射、藻类生物膜中TiO₂的识别

 

PIXE

皮肤、神经组织的元素分析

 

 

细菌中Ni-U-磷酸盐沉积的识别

代谢活性测量

nanoSIMS

nanoSIMS和稳定同位素标记测量微生物细胞的代谢活性、等原性微生物群体中的异质性

单细胞生物标志物成像

ToF-SIMS

微生物垫中硅藻细胞的生物标志物成像

生物膜化学分析

ToF-SIMS

微藻生物膜中P的定位

细菌掠食者

HIM

Bdellovibrio噬菌体生命周期不同阶段的成像

地质微生物学

HIM

铁氧化细菌成像、硫磺还原菌Geobacter的结构

 

ToF-SIMS

Fe(II)氧化Zetaproteobacteria的微嗜酸性、产甲烷菌的铁腐蚀

表面抗菌特性

HIM铣削

仅在蜻蜓翅膀上研究纳米结构的抗菌特性

2. HIM——成像最微小生物体的工具

SEM是生物样本成像的标准方法,通常需要在样本表面镀导电层以防止电子束照射下的充电现象。虽然将电子束加速电压降低至1kV以下可以实现未涂覆样本的SEM成像而不产生充电,但这会导致色差增加和景深减小。相比之下,氦离子显微镜(HIM)通过电子中和枪电荷补偿,使得在保持优异空间分辨率的同时,可以直接研究无导电涂层的非导电生物样本。

这一特性具有重要意义,因为金属涂层可能会改变或掩盖纳米尺度的样本特征,如病毒颗粒或细胞膜形貌。此外,与SEM相比,HIM具有更大的景深、增强的形貌对比度和更高的表面敏感性等优势

HIM成像主要依赖于二次电子的检测,同时也可以检测背散射离子,这有助于增强材料对比度(类似于SEM)。由于HIM中的背散射检测对产生的中性粒子也具有敏感性,检测产率相对较高,这意味着可以在较低剂量下获取图像。

Bidlack等人发现,背散射离子成像可以改善细胞内免疫金标记的可视化效果;Ma等人则利用背散射离子成像检测细胞内不同浓度的胶体纳米颗粒。然而,总体而言,背散射离子检测在生命科学HIM应用中的潜力仍未得到充分开发

a. 样本制备

由于室温HIM的样本要求、与SEM基本相同,SEM领域的成熟制备方案为HIM生物样本制备提供了坚实基础。一般而言,样本制备包括以下步骤:

使用醛类(如甲醛或戊二醛)进行化学固定

可选择使用强氧化剂(如四氧化锇)进行后固定处理

在有机溶剂(如甲醇、乙醇或丙酮)的梯度系列中进行脱水

干燥处理(如临界点干燥)

作为样本最终脱水和干燥的替代方案,已有研究提出使用离子液体的应用,并已成功用于细菌生物膜的HIM成像。在所有情况下,由于前述的原位电荷补偿机制,样本无需进行最终的金属化处理,因此可以在更接近天然状态下进行可视化观察。

b. 病毒研究

Sharma等人利用HIM研究了沉积物和微生物席样本中病毒与其宿主的相互作用。同样,HIM已被证明是研究噬菌体(攻击细菌的病毒)及其与宿主细胞相互作用的强有力工具。

Leppänen等人和You等人都发表了T4噬菌体感染大肠杆菌的高分辨率HIM图像;Vinner等人则成功可视化了噬菌体Felix O1感染沙门氏菌的过程。Almeida等人对HIM和其他显微镜技术在噬菌体研究中的贡献进行了详细综述。

此外,Frese等人和Barreto-Vieira最近报告了首次通过HIM观察SARS-CoV-2病毒颗粒的研究,显示与此前发表的溅射涂层样本SEM图像相比存在显著的形貌差异。病毒的HIM成像示例见图2

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2. (a) Vero E6细胞膜上的SARS-CoV-2病毒颗粒。(b) 纤维状琼脂表面上被T4噬菌体感染的大肠杆菌。

 

c. 单细胞生物

HIM是观察单细胞生物(如细菌、古菌、酵母、微藻、原生动物等)的优秀工具,可达到接近TEM的分辨率,且无需样本包埋和切片处理。需要注意的是,HIM技术主要适用于细胞表面成像。

Joens等人在2013年的论文中首次使用HIM对微生物(铁氧化细菌)进行成像。HIM在非导电表面观察高纹理生物样本时具有强形貌对比度、电荷补偿和大景深的优势,使其成为此类工作的理想工具。

Chen等人发表了古菌培养物的首批HIM图像,其中HIM对研究Ca. A. ethanivorans的细胞出芽现象特别有效。Said等人利用HIM成像细菌捕食者嗜菌弧菌的细菌感染过程。细菌生物膜(通常具有高纹理特征)的HIM成像已由多个研究团队发表:LeTourneau等人研究根瘤菌,Belianinov等人研究地杆菌,Schmidt等人研究恶臭假单胞菌。其他生物膜HIM研究包括Sharma等人对印度喜马拉雅山温泉微生物席的成像,以及Moreno Osorio等人对微藻生物膜结构和磷分布的分析。

HIM在微生物成像方面的其他潜在应用包括研究不同环境中的生物膜,例如医疗植入物或生物反应器表面的生物膜。HIM在研究环境细菌生物膜中的噬菌体感染或原生动物、细菌捕食现象方面也具有巨大前景。此外,HIM还可用于研究微生物与植物或真菌之间的复杂相互作用。该领域的最新例子是You等人使用HIM分析菌丝搭载细菌上的噬菌体共转运现象。

d. 细胞、组织和免疫金标记

HIM已在众多研究中被用于观察多细胞生物的完整细胞,包括植物、动物和人类细胞。在研究纳米级细胞结构时,由于电荷补偿机制允许观察到SEM无法显现的地形结构,避免了这些精细结构被金属涂层扭曲或遮蔽的问题。例如,Schürmann等人观察了神经元细胞膜中的脂质纳米结构域,证明了这些结构原本会被10nm厚的金属涂层所掩盖。

Sato等人展示了免疫金标记抗体可以在细胞内被分辨以识别特定细胞器,并证明了使用HIM检测生物标本中ZnO纳米颗粒离子发光的可行性。在成像动物纳米结构(如昆虫翅膀)时,HIM优异的景深已被证明具有显著优势。此外,Joens等人证明了可以使用氖聚焦离子束(Ne-FIB)铣削解剖线虫的口腔结构,然后通过HIM成像,且铣削过程中产生的热损伤极小。

e. 关联工作流中的HIM

除了结构分析,在亚细胞水平上研究化学成分的能力同样重要。为了在HIM平台上实现这一目标,可以安装二次离子质谱(SIMS)等检测器用于原位化学研究,如大肠杆菌细胞与TiO₂纳米颗粒孵育的研究所示。或者,HIM成像可以与SIMSEDS或使用荧光标记的荧光显微镜进行异位关联工作流集成。

最近发表的一个实例展示了HIM如何与上述技术相关联,用于分析包埋在树脂中的土壤样品中的根系、沉积物、土壤有机物和细菌。可以预期更多利用HIM独特的无电荷高分辨率成像能力的关联研究,例如分析生物矿化过程,以及解决环境微生物学、植物和土壤科学等领域的生态学问题。

3.生命科学中的FIB断层成像

生物样品的三维纳米成像变得越来越重要,例如用于研究细胞结构、细胞组分的超微结构、细胞细胞相互作用、组织和生物膜的结构分析等。直到2000年代初,对树脂包埋组织或细胞等样品的3D超微结构的研究是通过连续切块表面SEMTEM连续切片进行的。虽然这些方法可以实现很高的横向分辨率,但深度分辨率受到可实现切片厚度的限制

或者,可以使用配备超薄切片机的连续切块表面SEM在分析室内进行树脂包埋样品的断层成像。然而,深度分辨率仍然受到每次切片中可去除的最小材料量的限制。

FIB(主要是Ga-FIB)的出现推动了生物显微断层成像领域的发展,允许更好的控制和更精细的材料去除。在生命科学中基于FIB的断层成像的最早例子之一中,Ballerini等人使用Ga-FIB切片然后样品倾斜来允许通过二次电子和(带负电荷的)二次离子进行基于FIB的截面成像,研究了酵母细胞的内部结构。

此后不久,使用FIB-SEM系统改进了该技术的图像分辨率和效率,其中样本被Ga-FIB切片并通过SEM成像。来自PFIB的氧离子的使用似乎减少了帘状效应和其他伪影,允许更快地制备更光滑的表面用于成像步骤。

树脂包埋生物标本的FIB-SEM分析的基本工作流程包括重复的FIB铣削和暴露面的SEM成像,然后进行2D图像堆栈配准,最后进行3D重建,如图3所总结的。

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3. FIB-SEM断层成像体成像基本工作流程示意图: (a) 重复进行FIB铣削后SEM成像、图像堆栈配准和重建。(b)-(d) 小鼠肠道样品示例。

 

为了在SEM图像中获得足够的对比度,样品通常用重金属染色。Drobne等人进行了开创性工作,他们通过FIB-SEM研究了甲壳动物的消化系统并比较了成像模式。为了获得更好的对比度,Leser等人系统地研究了不同的OsO4和醋酸铀酰染色技术,并得出结论,对于塑料树脂包埋样品,OTOTO方法(OsO4/硫代卡巴肼/OsO4/硫代卡巴肼/OsO4)结合背散射电子成像提供最佳结果

其他方案涉及亚铁氰化钾、OsO4和醋酸铀酰的组合,并成功应用于脑和骨组织,以及研究CNT与肺组织的相互作用。Drobne的工作中可以找到干燥以及塑料树脂包埋(组织)样品的FIB-SEM标准方案的详细描述。表面细胞FIB-SEM研究的另一种制备方法是使用样品的薄层塑化代替树脂包埋和完全浸渍。

众所周知,传统的脱水和塑料树脂包埋工艺会引入伪影,并可能对细胞组分的超微结构造成破坏。为了部分避免这些不利影响,可采用样品高压冷冻或骤冷技术,随后进行水的冷冻替代处理以及环氧树脂的缓慢渗透。尽管如此,对包埋样品的FIB-SEM成像仍需在室温条件下进行,这一做法已在Schmid等人针对硝酸盐还原和铁氧化细菌BoFeN1样品的研究中得到验证。

2000年代初,很明显如果采用完整的低温工作流程,细胞的超微结构可以得到更好的保存,其中骤冷或高压冷冻的标本(仍然水合)在低温下成像。Marko等人探索了通过低温FIB铣削骤冷水来减薄玻璃化生物标本的可能性,并得出结论:(a) 玻璃态冰的低温FIB铣削不会引起足以导致失玻璃化的加热,(b) 后续实验应在-135°C以下进行以维持玻璃态。

2006年,Heymann等人发表了骤冷和FIB铣削酵母细胞的SEM数据,以及骤冷肿瘤组织FIB铣削薄片的SEMTEM图像。虽然冷冻样品没有染色,但通过升华和金属沉积在暴露表面的组合,为SESEM成像获得了足够的对比度。Heyles等人进行了类似的工作,他们使用GIS系统将铂沉积到冷冻酵母细胞和烟草花瓣表皮样品上。

HaylesDe Winter给出了冷冻水合生物样品的低温FIB-SEM技术的最新概述。

另一个飞跃是使用荧光染料、高压冷冻和冷冻替代包埋开发关联共焦激光扫描和FIB-SEM断层成像。例如,Gorelick等人开发了光子离子电子显微镜(PIE-scope),它采用关联低温荧光光显微镜和FIB-SEM,能够快速精确定位细胞中的蛋白质复合物。

另一个例子是最近发表的(非低温)3D关联工作流程,结合超分辨率光显微镜和FIB-SEM,使用反应性氧离子PFIB铣削和旋转样品台来研究包埋的培养细胞。

在细胞生物学和连接组学问题的驱动下,也开发了能够在高空间分辨率下进行大体积FIB-SEM分析的策略。Xu等人在这一领域的关键工作,涉及从束流/系统故障的自动恢复,使得能够以8nm的深度分辨率对果蝇大脑的三分之一进行增强的大体积3D FIB-SEM分析。为了分析骨骼等硬材料的大体积,已经证明了使用来自PFIB源的高电流Xe离子束的FIB-SEM

COVID-19大流行的背景下,FIB-SEM断层成像对于深入了解疾病的微观机制是有价值的。Baena等人使用FIB-SEM分析SARS-CoV-2如何从感染细胞传播到新宿主,如图4所示。使用TEM断层成像和FIB-SEM的组合,Cortese等人能够观察SARS-CoV-2感染肺细胞的形态变化。在最近关于SARS-CoV-2频繁观察到的人类肾脏感染的研究中,FIB-SEM也被用于成像液泡中的病毒颗粒。

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4. (a) 两张8纳米切片的聚焦离子束扫描电镜图像,显示两个接触的Vero E6细胞(绿色、棕色)和位于细胞外空间的SARS-CoV-2颗粒(箭头所示)。插图比例尺:200纳米。(b) (a)中所示两个细胞质膜的三维重建图。细胞间连接介导的接触部位用黄色标示。病毒颗粒用红色表示,在连接处两侧呈现不同的密度分布。

 

4. 能源材料的FIB断层成像

FIB-SEM断层成像在能源材料研究中的首批应用之一,是由Wilson等人在2006年提出。作者研究了基于钇稳定氧化锆(YSZ)的固体氧化物燃料电池阳极,并使用三维重构来区分YSZNi和孔隙相。这使得能够量化重要的结构特征,如体积分数、表面积,甚至包括所谓三相边界的信息。

2010年,Ostadi等人研究了氢动力质子交换膜燃料电池(PEMFC)中使用的微孔层。FIB断层成像用于补充燃料电池电极结构的X射线断层成像研究,以捕获微孔层的纳米结构,由于标准X射线成像设备的空间分辨率限制为1μm,而FIB-SEM断层成像分辨率为10nm,因此无法使用标准X射线成像设备进行分辨。多孔结构被三维重构,并分析了孔隙率和孔径分布。

同年,Zils等人展示了如何使用FIB断层成像研究制造参数对制备材料三维结构和由此产生的性能的影响。对于用于PEMFC的各种催化剂电极材料,作者比较了用喷枪和快速喷涂技术制备的孔隙率和孔径分布,并将三维结构特征与材料性能相关联。

Schulenburg等人使用FIB断层成像研究了基于碳的燃料电池电极在多次启停循环后三维结构的降解效应,发现整个纳米多孔结构的破坏导致反应气体向催化剂供应的显著减少。结合其他(基于X射线的)断层成像技术和结构建模,FIB断层成像也可用于关联断层成像,以填补纳米尺度上缺失的信息,并产生覆盖广泛长度尺度结构特征的多尺度三维数据。

例如,Zielke等人展示了如何使用FIB断层成像来补充由于空间分辨率限制而从同步辐射断层成像数据中缺失的信息。在此,使用FIB方法获得的高分辨率三维数据用于在纳米尺度上创建结构模型,以纳米细节增强同步辐射数据集。

在最近的一项研究中,Paulisch等人使用FIB断层成像分析了银基气体扩散电极内部复杂的三维路径网络(5)。用FIB断层成像获得的三维数据也已用于能源材料三维结构的数学建模,其中计算机生成的三维结构可以随后用于数字孪生的开发和未来的虚拟材料设计。

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5. 银基气体扩散电极的FIB-SEM层析成像。灰色:银颗粒,绿色:孔隙系统内的粘结剂/PTFE。只有三维图像才能揭示孔隙系统内部的复杂路径。

 

因此,FIB断层成像现在已经成为能源技术研究材料高分辨率三维结构研究的成熟技术,包括电池材料、燃料电池材料、电解器和催化材料。对于束敏感和空气敏感材料,低温FIB-SEM实施变得越来越受欢迎,因为辐射损伤在低温下可以显著减少,并且低温传输工作流程本质上是无空气的。例如,低温FIB-SEM技术已经实现了对锂枝晶的形成和所谓固体电解质界面的三维纳米级洞察。

5. FIB断层成像的数据处理

随着数据量的不断增长,分析主要包含灰度信息的大型张量变得越来越具有挑战性。复杂的分析需要数据分类,即为每个点分配一个类别。这对于基于FIB的断层成像特别具有挑战性,其中测量包含大量类别,但此外还有需要检测和处理的人工伪影。

在这里,机器学习方法,特别是易于使用的主要基于随机森林的工具,如Ilastik或可训练的Weka分割,在图像注释和分类方面变得越来越成熟。

多孔材料断层成像中的主要问题之一是将孔隙前景与背景分离的问题。为了解决这个问题,可以用适当的树脂渗透孔隙。硅基树脂由于后者通常具有高碳含量而经常用于渗透能源材料的孔隙系统。

然而,由于该处理导致的样品改变,或孔隙系统的不可达性,孔隙渗透通常要么不可能,要么不受欢迎。因此,当FIB切穿孔隙时,SEM图像也会收集来自孔隙背面的信号。在这种情况下,三维重构变得更加复杂,因为只有孔隙边缘周围的前景代表对应于暴露表面的实际材料分布。

为了解决这个问题,已经开发了各种优化的分割算法,以及一些机器学习工具。最近,Osenberg等人展示了一种技术,将两种不同的SE信号(来自镜头内探测器和对反向散射电子产生的SE敏感的探测器)与机器学习算法相结合,以改善锂电池阴极材料情况下孔隙前景和背景分离的结果。然而,尽管取得了很大进展,对于所有材料结构,一般的孔隙率问题仍未完全解决。

6. 展望

在过去20年中,FIB-SEM已成为研究一系列复杂样品三维结构的主流技术,通常具有完全建立的低温工作流程。

涉及优化的切削策略以减少由于FIB(在非低温实施中)引起的局部加热效应的进一步改进,对于纳米级切削揭示生物样品的内部结构和减少切削能源材料时的人工伪影是有益的,因为这些也可能涉及热敏感组件如聚合物。

与此同时,不断增长和复杂的数据量需要更多的自动化分析管道。为了实现这一点,需要标准化的数据和元数据格式。标准化数据集和基于例如随机森林模型生成的高质量个体图像分类的结合,将允许编译多样化的训练集来训练深度学习模型。有了足够的训练数据,诸如U-Net之类的神经网络可以被训练并应用于与原始训练集非常不同的数据。

在仪器方面,通过使用重惰性气体离子(特别是Xe)的大电流PFIB源,在增加FIB基断层成像可获得的样品体积方面已经取得了很大进展。由于自动化数据采集和分析的进步,现在可以实现立方毫米体积的FIB断层成像,空间分辨率在数十纳米的数量级。来自具有不同横向分辨率的不同实验源的复杂数据可以在大型多尺度图集中提供给研究界。

这在生命科学中特别值得庆祝,其中Ga-FIB-SEM被用于绘制和重构果蝇大脑的连接组。在开放数据方面,生命科学提供了典型例子:虚拟果蝇大脑和果蝇大脑图集,这是果蝇大脑的数字孪生,以易于访问的格式结合了来自不同来源和方法的大量数据。以自动化方式创建和分析如此庞大的数据依赖于机器学习的快速发展,这将是FIB技术未来发展的关键因素之一。

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