近期，北京大學(xué)席鵬教授團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了超高速成像，同時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，還將時(shí)間分辨率提升至 242Hz；基于晶格調(diào)制的一維相移特性，滾動(dòng)重建幀率最高能夠達(dá)到 1697Hz。

圖丨席鵬（席鵬）

該團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)的長時(shí)程記錄。

3I-SIM 能夠?qū)Π偌{米尺度的亞細(xì)胞動(dòng)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(duì) 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(shí)間、快速拍攝，以及需要弱光激發(fā)條件下進(jìn)行長時(shí)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(tái)上實(shí)現(xiàn)升級(jí)，目前團(tuán)隊(duì)已將相關(guān)技術(shù)內(nèi)容開源。

圖丨相關(guān)論文（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(duì)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(shí)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(gè)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(dòng)的過程中，不僅對(duì)器件提出了較高要求，并且在重建的過程中，會(huì)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(shí)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(gè)“六角形”。基于席鵬團(tuán)隊(duì)長期以來在偏振成像方法的技術(shù)積累和研究經(jīng)驗(yàn)，他們提出：能否直接打出一個(gè)二維結(jié)構(gòu)光？他們在探索和對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，用天然的照明方式——三角光束干涉，而非兩個(gè)點(diǎn)、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（Nature Photonics）

傳統(tǒng)一維條紋在旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的過程中，樣本會(huì)被重復(fù)照射，導(dǎo)致光毒性較強(qiáng)。與之對(duì)比的是，晶格調(diào)制結(jié)構(gòu)光只會(huì)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(duì)樣本更友好的特點(diǎn)。

為產(chǎn)生更加高效的二維晶格結(jié)構(gòu)光，研究人員對(duì)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(duì)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。

（Nature Photonics）

基于此，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)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(shí)現(xiàn)“周而復(fù)始”的調(diào)制，而不需要對(duì)條紋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。李美琪解釋說道，“因?yàn)橹恍枰匾粋€(gè)方向移動(dòng)相位，因此可以在成像過程中進(jìn)行單幀滾動(dòng)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。”

（Nature Photonics）

以毫秒級(jí)分辨率解析細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)機(jī)制

基于以上方法，3I-SIM 實(shí)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(hào)量。在強(qiáng)激發(fā)條件下，雖然單幀信號(hào)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(hào)的可觀測時(shí)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(duì)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(shí)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(dòng)蛋白。數(shù)據(jù)集需要在同一個(gè)視野下進(jìn)行高低信噪比的成對(duì)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(duì)提出了一種獨(dú)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(shí)，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(diǎn)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(shí)際上，它是一個(gè)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(jí)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(hào)弱到肉眼快看不見了，仍然可以將信號(hào)恢復(fù)出來。”

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，引入物理啟發(fā)的先驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表明，研究人員能夠以 1697Hz 的頻率采集超過 10 萬幀 ER 動(dòng)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(shí)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。

（Nature Photonics）

此外，研究人員在實(shí)驗(yàn)中觀察到兩個(gè)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(dòng)態(tài)，以及肌動(dòng)蛋白絲對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的瞬時(shí)調(diào)控信號(hào)。

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(gè)小時(shí)，可初見變化；到了 18 個(gè)小時(shí)兩邊會(huì)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(dòng)態(tài)探索的呢？

研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)生長錐長達(dá) 13 小時(shí)的動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，3I-SIM 可針對(duì)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(shí)空分辨率的方式進(jìn)行觀察。

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，肌動(dòng)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(gè)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(shí)刻保持著相互作用。

（Nature Photonics）

研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)蛋白和 ER 之間的相互作用機(jī)制。實(shí)際上，探索這個(gè)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)悸肥牵鶕?jù)兩個(gè)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(duì)使用新型探針從而直接對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌動(dòng)蛋白互作位點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)得益于深度學(xué)習(xí)方法的引入，3I-SIM 在極弱信號(hào)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(duì)突破性地直觀捕捉到 ER 相關(guān)肌動(dòng)蛋白的快速動(dòng)態(tài)變化。

付允哲進(jìn)一步說道：“ER 與肌動(dòng)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(shí)性與高度動(dòng)態(tài)性。揭示了 ER 與肌動(dòng)蛋白絲精密的相互作用模式，并為解析細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)機(jī)制提供了新的視角。”

團(tuán)隊(duì)成員互相打氣，挺過一次次“至暗時(shí)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(duì)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(yàn)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(dú)特的價(jià)值與意義。

于是，席鵬團(tuán)隊(duì)對(duì)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(duì)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(duì)這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)始終保持耐心，一次次借助扎實(shí)的對(duì)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(dòng)了團(tuán)隊(duì)對(duì) 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(xiàng)研究中所展現(xiàn)的顯著的性能突破離不開團(tuán)隊(duì)成員之間的緊密合作。席鵬提到，隨著推動(dòng)一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的幅度增加，其難度都會(huì)呈幾何級(jí)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(shí)間從 1 小時(shí)延長至 13 個(gè)小時(shí)的超分辨實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)迎難而上、反復(fù)討論，允哲和宜偉夜以繼日地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)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(jià)值的信息；或者不合適的長時(shí)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(shí)刻，但團(tuán)隊(duì)是一個(gè)自驅(qū)動(dòng)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(jiān)持下來了。”席鵬表示。

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(duì)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(shí)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

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