在自然界中，三角形是最基礎(chǔ)與最穩(wěn)定的二維結(jié)構(gòu)，而六邊形則代表了空間最優(yōu)解。然而在光學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光超分辨顯微鏡卻長(zhǎng)期依賴三條紋疊加實(shí)現(xiàn)“六邊形式”的復(fù)雜拼合——通過(guò)旋轉(zhuǎn)一維條紋三角度照明采樣實(shí)現(xiàn)。近日，北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院席鵬教授團(tuán)隊(duì)受三角形簡(jiǎn)潔性與高效性啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出三角形光束干涉結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（3I-SIM），以“三角形架構(gòu)”突破活細(xì)胞觀測(cè)的時(shí)空極限。相關(guān)成果以“Triangle-beam interference structured illumination microscopy”為題，發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊Nature Photonics，為生命動(dòng)態(tài)研究提供新利器。

亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)在空間與時(shí)間尺度上呈現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)態(tài)，這些動(dòng)態(tài)構(gòu)成了生命活動(dòng)的重要基礎(chǔ)。解析其運(yùn)動(dòng)軌跡與相互作用，是理解細(xì)胞功能與調(diào)控機(jī)制的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)光超分辨技術(shù)因其能夠同時(shí)兼顧時(shí)空兩個(gè)維度的分辨率，從而備受活細(xì)胞生命科學(xué)研究青睞。

《道德經(jīng)》有云：“道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)物”。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光顯微鏡（2D-SIM）雖能突破光學(xué)衍射極限，但其工作原理如同“緩慢拼圖”：通過(guò)楊氏雙縫干涉得到一維條紋，從而實(shí)現(xiàn)一維的分辨率提升；進(jìn)一步，如果需要二維分辨率提升，則將該一維條紋旋轉(zhuǎn)正負(fù)60度，從而獲得三個(gè)方向的超分辨信息。在3I-SIM中，創(chuàng)新性地采用三角光束干涉實(shí)現(xiàn)二維晶格調(diào)制，單次曝光下即可同時(shí)擴(kuò)展二維高頻信息，僅需7幀原始圖像即可完成重建，從而有效減輕采集過(guò)程中的光漂白影響。二維晶格調(diào)制模式的單向相移特性，避免了傳統(tǒng)2D-SIM中一維條紋調(diào)制所需的多方向旋轉(zhuǎn)過(guò)程，并減少了因部分頻譜重復(fù)采集而造成的信息冗余。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還消除了滾動(dòng)重建中的圖案方向匹配機(jī)制，擺脫了對(duì)同向條紋圖案的依賴，使3I-SIM在單幀滾動(dòng)重建策略下可實(shí)現(xiàn)最高1697Hz的成像幀率。

進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了偏振策略對(duì)調(diào)制能力的影響，突破了常規(guī)角向偏振的框架限制，創(chuàng)新性地提出徑向偏振策略，將高頻信息的調(diào)制能力提升至與傳統(tǒng)2D-SIM相當(dāng)?shù)乃�平，并結(jié)合自主研發(fā)的高魯棒性物理重建算法，顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗噪性能。

與傳統(tǒng)2D-SIM技術(shù)相比，3I-SIM有效降低了動(dòng)態(tài)觀測(cè)過(guò)程中的光毒性與光漂白，并將成像幀率提升至最高1697Hz。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)開(kāi)發(fā)了基于共監(jiān)督的深度學(xué)習(xí)重建方法3I-Net，在光子受限條件下實(shí)現(xiàn)了超高的檢測(cè)靈敏度，并顯著提升了3I-SIM的重建質(zhì)量, 突破了常規(guī)成像在低信噪比條件下的限制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)元生長(zhǎng)錐等光敏感結(jié)構(gòu)長(zhǎng)達(dá)13小時(shí)、10萬(wàn)幀超分辨圖像的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)肌動(dòng)蛋白等瞬時(shí)弱信號(hào)的超分辨高速捕捉。

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圖1. 3I-SIM的原理與成像能力表征。a. 3I-SIM 成像系統(tǒng)示意圖。b. 傳統(tǒng)2D-SIM雙光束干涉與 3I-SIM 三角光束干涉調(diào)制模式的對(duì)比。c. 雙通道染色的聯(lián)會(huì)復(fù)合體成像結(jié)果，并展示寬場(chǎng)與超分辨成像的對(duì)照效果。d. 尼羅紅標(biāo)記的 COS-7 細(xì)胞成像結(jié)果，并展示寬場(chǎng)與超分辨成像的對(duì)照效果

3I-SIM兼具更溫和且高速的活細(xì)胞細(xì)胞器成像能力。研究團(tuán)隊(duì)在HUVEC細(xì)胞中對(duì)肌動(dòng)蛋白絲進(jìn)行成像，在1Hz下連續(xù)采集超過(guò)6000幀，展現(xiàn)出穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)程成像性能。在高速模式下，3I-SIM可實(shí)現(xiàn)1697Hz的滾動(dòng)重建幀率，能夠捕捉內(nèi)質(zhì)網(wǎng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)閉合過(guò)程中的瞬時(shí)波動(dòng)。依托其超高的時(shí)空分辨率，3I-SIM還可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的多色成像，揭示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與晚期內(nèi)體/溶酶體及微管在接觸、重構(gòu)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中的精細(xì)相互作用。

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圖2. 3I-SIM 實(shí)現(xiàn)更快速且溫和的活細(xì)胞細(xì)胞器成像。a, b. 傳統(tǒng)2D-SIM 與 3I-SIM 成像過(guò)程中不同照明模式與激發(fā)策略對(duì)熒光蛋白的光漂白程度的對(duì)比。c, d. 1697 Hz 下的ER動(dòng)態(tài)成像及 ER 小環(huán)閉合過(guò)程的放大細(xì)節(jié)與軌跡。e–g. LEs/Lysos 與 ER 的相互作用，包括快速移動(dòng)過(guò)程中的局部形變及“親吻-離開(kāi)”事件中 ER 小管的協(xié)同變化

3I-SIM通過(guò)軟硬件的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了更溫和、更快速的超分辨成像，為活細(xì)胞成像帶來(lái)關(guān)鍵性突破，展現(xiàn)出解析百納米尺度亞細(xì)胞動(dòng)態(tài)過(guò)程的強(qiáng)大能力，為生命科學(xué)研究提供了有力支撐。該技術(shù)已同步開(kāi)源，團(tuán)隊(duì)開(kāi)放涵蓋硬件設(shè)計(jì)、軟件控制、重建算法及深度學(xué)習(xí)模型在內(nèi)的完整資源包，并配套提供數(shù)據(jù)集。3I-SIM系統(tǒng)可在常見(jiàn)2D-SIM平臺(tái)上靈活升級(jí)，有效降低技術(shù)門(mén)檻，為更多科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟進(jìn)入新一代活細(xì)胞超分辨成像的通道。

席鵬、生命科學(xué)學(xué)院李美琪博士為該論文共同通訊作者，北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院博士生付允哲，侯宜偉為該論文共同第一作者。席鵬課題組博士生梁謙禧，博士后陳欣和金博雅為本工作作出了重要貢獻(xiàn)。此外，該工作還得到了北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院陳知行課題組，生命科學(xué)學(xué)院鄭鵬里課題組，以及北京艾銳精儀科技有限公司的重要支持和幫助。該研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力支持。

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