【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】以高時(shí)空分辨率捕捉活細(xì)胞精細(xì)結(jié)構(gòu)的三維動(dòng)態(tài)，是解析復(fù)雜生命過程的重要基礎(chǔ)。光片顯微鏡兼具高速、低光毒和三維成像優(yōu)勢(shì)，但空間分辨率仍受衍射極限制約。如何進(jìn)一步突破光片顯微成像的空間分辨率瓶頸，實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞尺度的三維動(dòng)態(tài)觀測(cè)，是深入揭示生命活動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵。
 

　　9月28日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李棟教授課題組在《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)上發(fā)表題為“晶格光片激活結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微鏡”(Lattice light sheet activation structured illumination super-resolution microscopy，LA-SIM)的長(zhǎng)文(Article)。該工作通過光學(xué)成像前端與智能計(jì)算后端協(xié)同突破現(xiàn)有瓶頸，將三維超分辨觀測(cè)從單細(xì)胞拓展至完整早期胚胎，為研究亞細(xì)胞精細(xì)結(jié)構(gòu)及其長(zhǎng)時(shí)程動(dòng)態(tài)觀測(cè)提供了新的工具。
 

　　LA-SIM的關(guān)鍵設(shè)計(jì)是將觀測(cè)層選擇與結(jié)構(gòu)照明超分辨分步實(shí)施。該研究首先利用405 nm晶格光片選擇性激活探測(cè)焦平面附近的可逆光開關(guān)熒光蛋白(rsFP)，使目標(biāo)層以外的分子保持關(guān)閉狀態(tài)，從而獲得三維成像必須的光層切能力；隨后，可通過引入具有中央零強(qiáng)度區(qū)域的488 nm光場(chǎng)，選擇性關(guān)閉已激活薄層兩側(cè)的分子，進(jìn)一步壓縮軸向發(fā)光范圍。在讀取階段，經(jīng)探測(cè)物鏡引入互補(bǔ)的488 nm結(jié)構(gòu)照明，充分利用其數(shù)值孔徑獲得高空間頻率調(diào)制，并在采集熒光信號(hào)的同時(shí)使分子返回關(guān)閉狀態(tài)。該方案將光片(light sheet)成像的光學(xué)層切能力與SIM的高空間頻率調(diào)制能力有機(jī)融合，在保留光片成像優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)三維超分辨成像。
 

　　這一獨(dú)特的光學(xué)設(shè)計(jì)賦予LA-SIM多方面優(yōu)勢(shì)。首先，在每個(gè)選定的激活層中，0相位和π相位兩組互補(bǔ)照明可產(chǎn)生兩幅具有獨(dú)立噪聲特性的LA-SIM圖像，天然適用于Noise2Noise自監(jiān)督去噪。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將這一特性引入自主提出的合理化深度學(xué)習(xí)(rDL)框架，構(gòu)建了一種具有高保真度的自監(jiān)督圖像增強(qiáng)方法，有效緩解rsFP熒光亮度有限及光開關(guān)疲勞帶來的成像時(shí)程限制，實(shí)現(xiàn)低信噪比條件下的高質(zhì)量超分辨重建，并進(jìn)一步延長(zhǎng)活細(xì)胞成像時(shí)程。其次，如果對(duì)兩組互補(bǔ)照明圖案分配不均衡的488 nm照明劑量，則rsFP關(guān)閉過程中的非線性響應(yīng)將引入高階調(diào)制頻率，從而實(shí)現(xiàn)非線性結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像(NLSIM)，進(jìn)一步突破傳統(tǒng)SIM的2倍分辨率提升限制。在非線性SIM模式下，團(tuán)隊(duì)最高實(shí)現(xiàn)了橫向約87 nm、軸向約203 nm的光學(xué)分辨率。
 

　　為進(jìn)一步緩解rsFP在標(biāo)記顏色與長(zhǎng)時(shí)程成像方面的限制，團(tuán)隊(duì)開發(fā)三維Transformer超分辨模型SRFormer-pMoE，將高質(zhì)量rDLLA-SIM數(shù)據(jù)所提供的具有真實(shí)光學(xué)分辨率提升的超分辨結(jié)構(gòu)信息遷移至常規(guī)晶格光片圖像重建。SRFormer-pMoE融合三維空間與通道注意力機(jī)制、空間頻率信息融合及多尺度特征提取，并引入圖像塊級(jí)混合專家機(jī)制(pMoE)。模型包含約12億可訓(xùn)練參數(shù)，推理時(shí)僅激活約13%，兼顧計(jì)算效率與三維重建質(zhì)量。在五類代表性生物結(jié)構(gòu)測(cè)試中，該模型表現(xiàn)出優(yōu)于分別針對(duì)單一結(jié)構(gòu)訓(xùn)練的3D-RCAN模型的重建性能。研究還通過跨光譜通道測(cè)試評(píng)估其適用性，并引入貝葉斯學(xué)習(xí)與蒙特卡洛Dropout生成置信度圖，為超分辨推斷結(jié)果的可靠性評(píng)估提供輔助依據(jù)。
 

　　SRFormer-pMoE作為寬場(chǎng)光片采集與計(jì)算超分辨推斷的橋梁，保留了常規(guī)光片模式的采集速度及多色標(biāo)記兼容性，極大拓展了LA-SIM的應(yīng)用范圍。研究展示了約74分鐘、近700個(gè)時(shí)間點(diǎn)的三色活細(xì)胞超分辨成像，追蹤了微管網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)細(xì)胞器的動(dòng)態(tài)互作，并進(jìn)一步利用該體系觀察到運(yùn)動(dòng)中的溶酶體切割應(yīng)激顆粒的動(dòng)態(tài)過程。在多細(xì)胞厚樣品成像中，利用樣本表層的高質(zhì)量rDLLA-SIM數(shù)據(jù)微調(diào)模型，并采用掃描激發(fā)與滾動(dòng)快門相結(jié)合的電子共聚焦狹縫探測(cè)，可有效抑制散射背景，提升深層成像質(zhì)量。在完整八細(xì)胞期小鼠胚胎中，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了超過2.5小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)，首次以三維超分辨成像性能觀察到單個(gè)溶酶體的融合與分裂；進(jìn)一步在秀麗隱桿線蟲(C. elegans)胚胎中觀察到細(xì)胞融合過程中頂端連接的逐步解體，并捕捉到胚胎抽動(dòng)階段的快速運(yùn)動(dòng)。上述結(jié)果展現(xiàn)了該方法解析多細(xì)胞生物發(fā)育過程中精細(xì)結(jié)構(gòu)變化與動(dòng)態(tài)行為的能力。
 

　　該研究通過光學(xué)成像前端與智能計(jì)算后端的協(xié)同創(chuàng)新，突破了三維超分辨活細(xì)胞成像在速度、時(shí)程和多色兼容性等方面的限制，進(jìn)一步拓展了LA-SIM的成像能力與應(yīng)用邊界，推動(dòng)其從技術(shù)方法創(chuàng)新邁向復(fù)雜生物體系研究的實(shí)際科研應(yīng)用。
 

　　清華大學(xué)膜生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理研究員董學(xué)、清華大學(xué)生命學(xué)院博士后孟權(quán)、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所2025屆博士畢業(yè)生楊曉雨、博士后陳浩宇、清華大學(xué)精儀系助理教授喬暢為本文共同第一作者，清華大學(xué)生命學(xué)院李棟教授為本文通訊作者。
 

　　本研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)以及新基石科學(xué)基金會(huì)的資助。
 

　　引用：生命學(xué)院李棟課題組合作開發(fā)新型超分辨光片顯微鏡 清華大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年9月29日】