復(fù)雜的生物過程在細(xì)胞、組織的三維空間中時(shí)刻維持著精密有序的運(yùn)轉(zhuǎn)，維系生命活動(dòng)的基本功能。光片顯微鏡（LSM）作為當(dāng)前最適宜進(jìn)行多細(xì)胞、大體積樣本三維成像的模態(tài)，通過使用兩個(gè)光軸垂直的物鏡分別進(jìn)行片狀激發(fā)和寬場探測，提升顯微鏡光學(xué)層切能力的同時(shí)顯著降低了三維成像時(shí)對(duì)活體樣本的光漂白和光毒性。但受限于特殊的物鏡擺放方式，LSM的空間分辨率往往低于共聚焦顯微鏡等常規(guī)方法，如何提升其分辨率是領(lǐng)域內(nèi)面對(duì)的長期難題。

為此，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主埃里克·貝齊格（Eric Betzig）在2014年發(fā)明了晶格光片顯微鏡（LLSM），并通過與結(jié)構(gòu)光照明（SIM）相結(jié)合，形成晶格光片結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（LLS-SIM）解決方案。LLS-SIM可在結(jié)構(gòu)光照明方向上將分辨率提升1.5倍左右，這也是當(dāng)前最新的前沿技術(shù)方法。然而，不同于標(biāo)準(zhǔn)SIM，LLS-SIM僅能產(chǎn)生單一方向的結(jié)構(gòu)光照明，導(dǎo)致空間分辨率各向異性，未超分辨方向易產(chǎn)生畸變，限制了對(duì)三維亞細(xì)胞動(dòng)態(tài)的精準(zhǔn)探測。

近年來，以深度學(xué)習(xí)為代表的智能計(jì)算方法對(duì)光學(xué)顯微鏡發(fā)展產(chǎn)生變革性影響。通過光學(xué)成像系統(tǒng)與智能算法的聯(lián)合優(yōu)化，可在極大程度上突破光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)空帶寬固有局限，實(shí)現(xiàn)超高速、超分辨、超長時(shí)程活體熒光顯微成像。如何基于光學(xué)系統(tǒng)與人工智能的交叉創(chuàng)新突破現(xiàn)有觀測工具的性能瓶頸，以三維視角和亞細(xì)胞級(jí)各向同性分辨率觀測動(dòng)態(tài)生物過程，是三維超分辨顯微成像領(lǐng)域的前沿重要挑戰(zhàn)。

4月29日，清華大學(xué)生命學(xué)院李棟課題組與自動(dòng)化系戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)開展合作，在《自然·方法》（Nature Methods）上發(fā)表了題為“快速自適應(yīng)超分辨晶格光片顯微鏡助力快速、長時(shí)程、近各向同性亞細(xì)胞成像”（Fast-adaptive super-resolution lattice light-sheet microscopy for rapid, long-term, near-isotropic subcellular imaging）的研究論文，開發(fā)了一種元學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的反射式晶格光片虛擬結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（Meta-rLLS-VSIM）。結(jié)合虛擬結(jié)構(gòu)光照明、鏡面增強(qiáng)雙視角探測與貝葉斯雙視角融合重建等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，在不犧牲成像速度與光子代價(jià)的前提下，將傳統(tǒng)LLS-SIM的一維超分辨能力擴(kuò)展到XYZ三個(gè)維度，實(shí)現(xiàn)橫向120納米、軸向160納米的近各向同性成像分辨率。研究進(jìn)一步將元學(xué)習(xí)策略與系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程深度融合，僅需三分鐘就可以完成從訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集到深度學(xué)習(xí)模型的自適應(yīng)部署過程，讓AI工具在實(shí)際生物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用達(dá)到近乎“零門檻”。

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Meta-rLLS-VSIM實(shí)現(xiàn)快速五維超分辨活細(xì)胞成像效果展示

為展示Meta-rLLS-VSIM的快速五維（波長通道-XYZ三維空間-時(shí)間）超分辨活細(xì)胞成像能力，合作團(tuán)隊(duì)對(duì)小鼠胚胎（圖a）、植物花粉管（圖b、c）、線蟲胚胎（圖d-g）等大體積厚樣本進(jìn)行了長時(shí)程超分辨觀測。兼具晶格光片照明的物理光學(xué)層析與近各向同性的三維超分辨能力，Meta-rLLS-VSIM清晰地揭示了花粉管頂端極性生長、秀麗隱桿線蟲胚胎發(fā)育過程中質(zhì)膜融合等生物過程。

進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)利用Meta-rLLS-VSIM對(duì)完整COS-7細(xì)胞進(jìn)行了快速（每8秒拍攝一組三通道完整細(xì)胞數(shù)據(jù)）、長時(shí)程（>800個(gè)時(shí)間點(diǎn)）、近各向同性超分辨成像（圖h-m），對(duì)不同細(xì)胞器在三維空間中的分布模式及其與細(xì)胞骨架的時(shí)空協(xié)同互作機(jī)制進(jìn)行了精確的定量研究。得益于高時(shí)空分辨率與長周期的觀測窗口，團(tuán)隊(duì)觀測到微管與溶酶體之間“搭便車”、線粒體在溶酶體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械力作用下分裂等新現(xiàn)象，驗(yàn)證了Meta-rLLS-VSIM發(fā)現(xiàn)新生物現(xiàn)象與機(jī)制的潛力。

綜上，Meta-rLLS-VSIM通過反射增強(qiáng)雙視角晶格光片顯微鏡與元學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的快速自適應(yīng)部署模式的硬件升級(jí)，以及虛擬結(jié)構(gòu)光照明和RL雙循環(huán)融合網(wǎng)絡(luò)的人工智能算法創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了軟硬件協(xié)同優(yōu)化，顯著提升了成像性能。該技術(shù)的突破為細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑，未來有望幫助生命科學(xué)研究人員從更全面的多維視角發(fā)現(xiàn)、理解和探索豐富多彩的生物現(xiàn)象。

清華大學(xué)生命學(xué)院教授李棟、自動(dòng)化系戴瓊海院士為論文共同通訊作者。清華大學(xué)自動(dòng)化系博士后喬暢，復(fù)旦大學(xué)未來信息創(chuàng)新學(xué)院副研究員李子薇，中國科學(xué)院生物物理所博士后王宗發(fā)、博士生林煜桓，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后劉沖為論文共同第一作者。研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)以及新基石科學(xué)基金會(huì)的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41592-025-02678-3