【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】以高時空分辨率捕捉活細胞精細結構的三維動態(tài)，是解析復雜生命過程的重要基礎。光片顯微鏡兼具高速、低光毒和三維成像優(yōu)勢，但空間分辨率仍受衍射極限制約。如何進一步突破光片顯微成像的空間分辨率瓶頸，實現(xiàn)亞細胞尺度的三維動態(tài)觀測，是深入揭示生命活動規(guī)律的關鍵。
 

　　9月28日，清華大學生命科學學院李棟教授課題組在《自然·光子學》(Nature Photonics)上發(fā)表題為“晶格光片激活結構光照明超分辨顯微鏡”(Lattice light sheet activation structured illumination super-resolution microscopy，LA-SIM)的長文(Article)。該工作通過光學成像前端與智能計算后端協(xié)同突破現(xiàn)有瓶頸，將三維超分辨觀測從單細胞拓展至完整早期胚胎，為研究亞細胞精細結構及其長時程動態(tài)觀測提供了新的工具。
 

　　LA-SIM的關鍵設計是將觀測層選擇與結構照明超分辨分步實施。該研究首先利用405 nm晶格光片選擇性激活探測焦平面附近的可逆光開關熒光蛋白(rsFP)，使目標層以外的分子保持關閉狀態(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度區(qū)域的488 nm光場，選擇性關閉已激活薄層兩側的分子，進一步壓縮軸向發(fā)光范圍。在讀取階段，經(jīng)探測物鏡引入互補的488 nm結構照明，充分利用其數(shù)值孔徑獲得高空間頻率調制，并在采集熒光信號的同時使分子返回關閉狀態(tài)。該方案將光片(light sheet)成像的光學層切能力與SIM的高空間頻率調制能力有機融合，在保留光片成像優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)三維超分辨成像。
 

　　這一獨特的光學設計賦予LA-SIM多方面優(yōu)勢。首先，在每個選定的激活層中，0相位和π相位兩組互補照明可產(chǎn)生兩幅具有獨立噪聲特性的LA-SIM圖像，天然適用于Noise2Noise自監(jiān)督去噪。團隊進一步將這一特性引入自主提出的合理化深度學習(rDL)框架，構建了一種具有高保真度的自監(jiān)督圖像增強方法，有效緩解rsFP熒光亮度有限及光開關疲勞帶來的成像時程限制，實現(xiàn)低信噪比條件下的高質量超分辨重建，并進一步延長活細胞成像時程。其次，如果對兩組互補照明圖案分配不均衡的488 nm照明劑量，則rsFP關閉過程中的非線性響應將引入高階調制頻率，從而實現(xiàn)非線性結構光照明超分辨成像(NLSIM)，進一步突破傳統(tǒng)SIM的2倍分辨率提升限制。在非線性SIM模式下，團隊最高實現(xiàn)了橫向約87 nm、軸向約203 nm的光學分辨率。
 

　　為進一步緩解rsFP在標記顏色與長時程成像方面的限制，團隊開發(fā)三維Transformer超分辨模型SRFormer-pMoE，將高質量rDLLA-SIM數(shù)據(jù)所提供的具有真實光學分辨率提升的超分辨結構信息遷移至常規(guī)晶格光片圖像重建。SRFormer-pMoE融合三維空間與通道注意力機制、空間頻率信息融合及多尺度特征提取，并引入圖像塊級混合專家機制(pMoE)。模型包含約12億可訓練參數(shù)，推理時僅激活約13%，兼顧計算效率與三維重建質量。在五類代表性生物結構測試中，該模型表現(xiàn)出優(yōu)于分別針對單一結構訓練的3D-RCAN模型的重建性能。研究還通過跨光譜通道測試評估其適用性，并引入貝葉斯學習與蒙特卡洛Dropout生成置信度圖，為超分辨推斷結果的可靠性評估提供輔助依據(jù)。
 

　　SRFormer-pMoE作為寬場光片采集與計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記兼容性，極大拓展了LA-SIM的應用范圍。研究展示了約74分鐘、近700個時間點的三色活細胞超分辨成像，追蹤了微管網(wǎng)絡及相關細胞器的動態(tài)互作，并進一步利用該體系觀察到運動中的溶酶體切割應激顆粒的動態(tài)過程。在多細胞厚樣品成像中，利用樣本表層的高質量rDLLA-SIM數(shù)據(jù)微調模型，并采用掃描激發(fā)與滾動快門相結合的電子共聚焦狹縫探測，可有效抑制散射背景，提升深層成像質量。在完整八細胞期小鼠胚胎中，團隊實現(xiàn)了超過2.5小時的長時程觀測，首次以三維超分辨成像性能觀察到單個溶酶體的融合與分裂；進一步在秀麗隱桿線蟲(C. elegans)胚胎中觀察到細胞融合過程中頂端連接的逐步解體，并捕捉到胚胎抽動階段的快速運動。上述結果展現(xiàn)了該方法解析多細胞生物發(fā)育過程中精細結構變化與動態(tài)行為的能力。
 

　　該研究通過光學成像前端與智能計算后端的協(xié)同創(chuàng)新，突破了三維超分辨活細胞成像在速度、時程和多色兼容性等方面的限制，進一步拓展了LA-SIM的成像能力與應用邊界，推動其從技術方法創(chuàng)新邁向復雜生物體系研究的實際科研應用。
 

　　清華大學膜生物學全國重點實驗室助理研究員董學、清華大學生命學院博士后孟權、中國科學院生物物理研究所2025屆博士畢業(yè)生楊曉雨、博士后陳浩宇、清華大學精儀系助理教授喬暢為本文共同第一作者，清華大學生命學院李棟教授為本文通訊作者。
 

　　本研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會以及新基石科學基金會的資助。
 

　　引用：生命學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 【引用時間：2026年9月29日】