近期,北京大學(xué)席鵬教授團(tuán)隊開發(fā)了一種顛覆性結(jié)構(gòu)光超分辨技術(shù)——三角光束干涉結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡(3I-SIM)。該方法在光場結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的條紋結(jié)構(gòu)光存在顯著不同,不僅減少了冗余數(shù)據(jù)采集,還通過硬件精細(xì)調(diào)控與先進(jìn)算法協(xié)同發(fā)展,實現(xiàn)了超高速成像,同時在光劑量控制上更加溫和,并顯著降低了光毒性。
值得關(guān)注的是,3I-SIM 通過徑向偏振三光束干涉,能夠在單次調(diào)制下實現(xiàn)各向均勻的頻域擴(kuò)展:在只需要 7 幅原始幀的條件下,即可實現(xiàn) 100nm 橫向分辨率的超分辨圖像重建,在光照更加溫和的同時,還將時間分辨率提升至 242Hz;基于晶格調(diào)制的一維相移特性,滾動重建幀率最高能夠達(dá)到 1697Hz。
圖丨席鵬(來源:席鵬)
該團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)展了深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)重建方法 3I-Net,在超低光子劑量下仍能實現(xiàn)高質(zhì)量成像,創(chuàng)造了接連拍攝超過 10 萬幀、持續(xù) 13 小時的長時程記錄。
3I-SIM 能夠?qū)Π偌{米尺度的亞細(xì)胞動態(tài)進(jìn)行解析,為研究復(fù)雜且快速的生物過程提供了一種更溫和、更快速的活細(xì)胞超分辨成像工具。席鵬對 DeepTech 表示,該技術(shù)尤其適用于在生物學(xué)研究中,需要延長拍攝時間、快速拍攝,以及需要弱光激發(fā)條件下進(jìn)行長時間觀察的場景,例如原代神經(jīng)細(xì)胞、內(nèi)源表達(dá)蛋白等,并有望拓展至藥物篩選等領(lǐng)域。
日前,相關(guān)論文以《三角光束干涉結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡》(Triangle-beam interference structured illumination microscopy)為題發(fā)表在Nature Photonics[1]。北京大學(xué)席鵬教授和李美琪博士擔(dān)任共同通訊作者,北京大學(xué)博士生付允哲和侯宜偉為共同第一作者。據(jù)了解,3I-SIM 系統(tǒng)可直接在現(xiàn)有的 2D-SIM 平臺上實現(xiàn)升級,目前團(tuán)隊已將相關(guān)技術(shù)內(nèi)容開源。
圖丨相關(guān)論文(來源:Nature Photonics)
新一代活細(xì)胞超分辨成像工具:更溫和、更快速、更低光毒性
近年來,結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡(SIM,Structured illumination microscopy)已經(jīng)作為研究人員活細(xì)胞超分辨成像的有力工具,傳統(tǒng) 2D-SIM 使用條紋結(jié)構(gòu)光對樣本進(jìn)行調(diào)制。
一維條紋相當(dāng)于在單一空間方向上呈現(xiàn)正弦強(qiáng)度變化,只能提高單一方向的解析分辨率。如果想實現(xiàn)二維調(diào)制,需要將結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)三次,每次轉(zhuǎn) 60 度的方式,達(dá)到各個方向提升分辨率的目標(biāo)。
需要了解的是,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光照明方式在旋轉(zhuǎn)和移動的過程中,不僅對器件提出了較高要求,并且在重建的過程中,會由于條紋在不同方向間的控制不夠精準(zhǔn)而影響重構(gòu)的效果。
實際上,旋轉(zhuǎn)三次條紋相當(dāng)于用三次旋轉(zhuǎn)的角度拼合出來一個“六角形”?;谙i團(tuán)隊長期以來在偏振成像方法的技術(shù)積累和研究經(jīng)驗,他們提出:能否直接打出一個二維結(jié)構(gòu)光?他們在探索和對比后發(fā)現(xiàn),用天然的照明方式——三角光束干涉,而非兩個點、旋轉(zhuǎn)三方向形成的類似于六光束干涉的情況,即可產(chǎn)生六角的晶格陣列排布。
圖丨3I-SIM 的原理與成像能力表征(來源:Nature Photonics)
傳統(tǒng)一維條紋在旋轉(zhuǎn)和移動的過程中,樣本會被重復(fù)照射,導(dǎo)致光毒性較強(qiáng)。與之對比的是,晶格調(diào)制結(jié)構(gòu)光只會在樣本各區(qū)域照射一次,具有減少光漂白、降低光毒性以及對樣本更友好的特點。
為產(chǎn)生更加高效的二維晶格結(jié)構(gòu)光,研究人員對三角光束偏振進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究。通過仿真發(fā)現(xiàn),以往沿環(huán)切線方向的角向偏振光對高頻信息的調(diào)制能力并不理想,而由環(huán)中心向外輻射狀的徑向偏振光可以達(dá)到更好的調(diào)節(jié)效果。
(來源:Nature Photonics)
基于此,研究團(tuán)隊搭建了 3I-SIM 系統(tǒng),其優(yōu)勢在于:能夠在單次照明過程中,同時實現(xiàn)三個方向的均勻超分辨提升(即頻率擴(kuò)展),并且“化轉(zhuǎn)為移”,只需要平移即可實現(xiàn)“周而復(fù)始”的調(diào)制,而不需要對條紋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。李美琪解釋說道,“因為只需要沿一個方向移動相位,因此可以在成像過程中進(jìn)行單幀滾動重建,進(jìn)而將成像速度推到極限,最高達(dá)到 1697 幀每秒的快速成像?!?/p>
(來源:Nature Photonics)
以毫秒級分辨率解析細(xì)胞內(nèi)活動機(jī)制
基于以上方法,3I-SIM 實現(xiàn)了比傳統(tǒng)方法更加溫和的活細(xì)胞成像。研究人員進(jìn)一步提出:能不能將這種“溫和”推到極限?
熒光分子在光漂白發(fā)生之前能夠發(fā)射的光子數(shù)有限,這一“光子預(yù)算”決定了成像過程中可獲得的總信號量。在強(qiáng)激發(fā)條件下,雖然單幀信號較強(qiáng),但分子更快發(fā)生光漂白,可采集的幀數(shù)隨之減少;在弱激發(fā)條件下,光漂白速率降低,信號的可觀測時間延長,但由于發(fā)射光子數(shù)減少、信噪比下降,從而導(dǎo)致圖像重建誤差顯著增加。
研究團(tuán)隊在探究傳統(tǒng)重建算法的基礎(chǔ)上,引入深度學(xué)習(xí)方法,使其能夠在極弱光照條件下實現(xiàn)超低信噪比的超分辨重建。
他們基于典型的細(xì)胞結(jié)構(gòu)構(gòu)建了 3I-SIM 專屬的深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集,包括:核孔復(fù)合體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、微管、肌動蛋白。數(shù)據(jù)集需要在同一個視野下進(jìn)行高低信噪比的成對采集,并基于此訓(xùn)練圖像網(wǎng)絡(luò)。研究人員構(gòu)建了一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 3I-Net,專門用于 3I-SIM 的超分辨重建。
為更好地提升保真度,研究團(tuán)隊提出了一種獨特的共監(jiān)督訓(xùn)練策略。這種策略是將重建后的圖像與高質(zhì)量超分辨圖像進(jìn)行比較,與此同時,引入物理監(jiān)督,讓輸出的圖像符合結(jié)構(gòu)光照明超分辨率圖像的物理模型。它在卷積點擴(kuò)散函數(shù)之后,輸出圖像需要與高信噪比的寬場圖像接近。
侯宜偉解釋說道:“實際上,它是一個圖像轉(zhuǎn)換的任務(wù)。由于這種數(shù)據(jù)的獲取成本比較高,不能像處理自然圖像那樣采集百萬量級甚至更多的圖像矩陣來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。而通過融合物理模型的深度學(xué)習(xí)的方法,可以有效地提高訓(xùn)練效果和泛化能力,即便信號弱到肉眼快看不見了,仍然可以將信號恢復(fù)出來。”
實驗結(jié)果顯示,引入物理啟發(fā)的先驗后,重建圖像的質(zhì)量、分辨率以及保真度指標(biāo)等方面都得到了顯著改善。進(jìn)一步的高速成像實驗表明,研究人員能夠以 1697Hz 的頻率采集超過 10 萬幀 ER 動態(tài),從而捕捉到細(xì)胞瞬態(tài)(數(shù)十毫秒)內(nèi)的環(huán)路變化,以及長時程下的伸縮效應(yīng)。相比之下,采用傳統(tǒng)重建方法在相同光強(qiáng)下大約只能獲得 2 萬幀圖像。
(來源:Nature Photonics)
此外,研究人員在實驗中觀察到兩個具有重要生物學(xué)意義的現(xiàn)象:神經(jīng)元生長錐的精細(xì)結(jié)構(gòu)動態(tài),以及肌動蛋白絲對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的瞬時調(diào)控信號。
在神經(jīng)元培養(yǎng)的過程中,當(dāng)神經(jīng)元細(xì)胞放在培養(yǎng)皿上 6 個小時,可初見變化;到了 18 個小時兩邊會出現(xiàn)神經(jīng)突,并在 2 到 3 天后分化成神經(jīng)元的樹突和軸突。那么,在神經(jīng)元發(fā)育的早期階段,末端的生長錐又是如何像“探路者”般不斷進(jìn)行動態(tài)探索的呢?
研究團(tuán)隊與北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院陳知行課題組合作,以 1Hz 幀率在超分辨條件下連續(xù)成像,率先在國際上實現(xiàn)了對生長錐長達(dá) 13 小時的動態(tài)觀測,揭示其在生長過程中的持續(xù)延伸、探尋以及偶爾的回縮。
實驗結(jié)果證明,3I-SIM 可針對于光敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測,并可以很好地可視化。而此前,這些現(xiàn)象難以通過高時空分辨率的方式進(jìn)行觀察。
在哺乳動物細(xì)胞中,肌動蛋白絲是細(xì)胞中的“骨架”,它的作用類似房屋的鋼筋,支撐整個細(xì)胞的形態(tài)。而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞里最大的膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞器,和其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)時刻保持著相互作用。
(來源:Nature Photonics)
研究團(tuán)隊還與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院鄭鵬里課題組合作,探索了肌動蛋白和 ER 之間的相互作用機(jī)制。實際上,探索這個問題充滿挑戰(zhàn),二者都是極細(xì)的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的探針?biāo)悸肥?,根?jù)兩個結(jié)構(gòu)位置是否重疊來判斷他們的互相作用:如果位置重疊,認(rèn)為有相互作用;如果沒重疊,則沒有相互作用。但問題在于,由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形狀和微絲情況較為復(fù)雜,很難通過傳統(tǒng)探針判斷它們的相互作用。
研究團(tuán)隊使用新型探針從而直接對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌動蛋白互作位點進(jìn)行標(biāo)記,同時得益于深度學(xué)習(xí)方法的引入,3I-SIM 在極弱信號條件下靈敏度得到了顯著提升。值得關(guān)注的是,研究團(tuán)隊突破性地直觀捕捉到 ER 相關(guān)肌動蛋白的快速動態(tài)變化。
付允哲進(jìn)一步說道:“ER 與肌動蛋白絲的接觸位置不斷改變,部分接觸僅維持?jǐn)?shù)十毫秒,體現(xiàn)出這種互作的瞬時性與高度動態(tài)性。揭示了 ER 與肌動蛋白絲精密的相互作用模式,并為解析細(xì)胞內(nèi)活動機(jī)制提供了新的視角?!?/p>
團(tuán)隊成員互相打氣,挺過一次次“至暗時刻”
該研究的推進(jìn)并非一帆風(fēng)順。從最初探索三角結(jié)構(gòu)光的潛力開始,團(tuán)隊經(jīng)歷了多次反復(fù)與挑戰(zhàn)。盡管二維結(jié)構(gòu)光的相關(guān)概念早已被提出,但長期受限于高頻細(xì)節(jié)的調(diào)制能力不足、低信噪比條件下重建性能不佳,以及重建算法魯棒性有限等問題。已有的大多數(shù)工作仍停留在原理驗證層面,難以真正應(yīng)用于活細(xì)胞成像,而恰恰是在這一領(lǐng)域,SIM 技術(shù)才展現(xiàn)出獨特的價值與意義。
于是,席鵬團(tuán)隊對硬件調(diào)控、偏振控制、物理重建算法與深度學(xué)習(xí)方法的綜合作用進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了全新的 3I-SIM,奠定了其作為新一代活細(xì)胞結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡的重要地位。
但即便如此,在投稿過程中,審稿人仍多次對該技術(shù)在生命科學(xué)上應(yīng)用能力及其廣泛適用性提出疑問。面對這些挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊始終保持耐心,一次次借助扎實的對比和應(yīng)用數(shù)據(jù)向?qū)徃迦俗C明 3I-SIM 的強(qiáng)大性能。歷經(jīng)三輪審稿意見的回復(fù)與修改,他們最終以充分的證據(jù)回應(yīng)了審稿人的疑問。這一過程不僅推動了團(tuán)隊對 3I-SIM 系統(tǒng)性創(chuàng)新的完善,還促進(jìn)了其應(yīng)用潛力的深入挖掘,并最終將技術(shù)開源,面向全球科研群體共享。
這項研究中所展現(xiàn)的顯著的性能突破離不開團(tuán)隊成員之間的緊密合作。席鵬提到,隨著推動一項技術(shù)進(jìn)步的幅度增加,其難度都會呈幾何級數(shù)上升。比如,成像速度從幾百幀提升到 1697 幀,亦或是觀察時間從 1 小時延長至 13 個小時的超分辨實驗。研究團(tuán)隊迎難而上、反復(fù)討論,允哲和宜偉夜以繼日地優(yōu)化實驗條件,才讓這些技術(shù)突破成為可能。
“在過去,高速拍攝可能拍到的都是噪聲,很難呈現(xiàn)出來有價值的信息;或者不合適的長時程拍攝條件下,神經(jīng)元的神經(jīng)細(xì)胞經(jīng)常在生長過程中就‘罷工’了……盡管在研究中經(jīng)歷了很多至暗時刻,但團(tuán)隊是一個自驅(qū)動的大家庭,通過互相打氣以及合作者給予的強(qiáng)大支持,大家都堅持下來了?!毕i表示。
需要了解的是,在該研究中所呈現(xiàn)的是 2D 版本的 3I-SIM,目前該團(tuán)隊正在往 3D 方向推進(jìn),希望讓它不但在水平方向的分辨率能夠得到瞬時增強(qiáng),而且在軸向的分辨率也能夠得到突破。
參考資料:
1.Fu, Y., Hou, Y., Liang, Q. et al. Triangle-beam interference structured illumination microscopy.Nature Photonics(2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01730-0
運(yùn)營/排版:何晨龍