在生命科學(xué)探索微觀世界的征途上，看清細(xì)胞內(nèi)部那些瞬息萬(wàn)變、尺度極小的精細(xì)結(jié)構(gòu)，一直是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。這些極小尺度下的動(dòng)態(tài)，如同生命活動(dòng)的基礎(chǔ)密碼。如今，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院席鵬教授團(tuán)隊(duì)，從自然界最穩(wěn)定的形狀——三角形中獲得啟迪與靈感，研發(fā)出一款名為“三角形光束干涉結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡”（3I-SIM）的引領(lǐng)性技術(shù)。該技術(shù)以“三角形架構(gòu)”突破活細(xì)胞觀測(cè)的時(shí)空極限，為其超高清、高速成像打開了嶄新大門。相關(guān)成果日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》。
“過去，科學(xué)家們利用結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（2D-SIM）技術(shù)來突破傳統(tǒng)顯微鏡的極限分辨率，看清更小的細(xì)節(jié)。但這種方法有點(diǎn)像是‘緩慢拼圖’：它先要用一束光形成明暗相間的條紋，照射樣本一次，只能提升一個(gè)方向的分辨率；為了看清整個(gè)平面，需要把這種條紋旋轉(zhuǎn)三個(gè)不同的角度（通常是正負(fù)60度），分別照射和拍照，最后再把這三組信息拼合起來。”席鵬告訴記者，這個(gè)過程不僅耗時(shí)，更關(guān)鍵的是，多次強(qiáng)光照射會(huì)對(duì)脆弱的活細(xì)胞造成傷害，加速樣本中熒光信號(hào)的衰減（即光漂白），難以長(zhǎng)時(shí)間觀察高速和精細(xì)的生命活動(dòng)。
對(duì)此，席鵬團(tuán)隊(duì)從三角形簡(jiǎn)潔高效、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特性中汲取智慧，徹底改變了研究思路。他們創(chuàng)新性地采用三束激光進(jìn)行三角干涉，一步到位直接在樣本上干涉出二維的六角晶格圖案。這一巧妙設(shè)計(jì)意味著，單次曝光就能同時(shí)采集到物體在水平和垂直方向上的高分辨率信息，完成一張超分辨圖像的重建僅需7幀原始圖像。這大大縮短了曝光時(shí)間，有效減輕了采集過程中的光漂白影響。這種設(shè)計(jì)還消除了圖像重建時(shí)煩瑣的圖案方向匹配過程，使系統(tǒng)能以最高每秒1697幀的速度進(jìn)行單幀滾動(dòng)重建，讓那些以往難以捕捉的高速生命動(dòng)態(tài)無(wú)法逃過鏡頭的追蹤。
為了確保新技術(shù)的成像質(zhì)量，研究團(tuán)隊(duì)在光的“姿態(tài)”——偏振上做足了文章。他們突破常規(guī)，沒有使用常見的角向偏振光，而是創(chuàng)新性地采用了徑向偏振策略，將對(duì)微小細(xì)節(jié)（高頻信息）的捕捉能力提升到與傳統(tǒng)2D-SIM相當(dāng)?shù)乃健Ｍ瑫r(shí)，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一套AI重建算法，如同為系統(tǒng)裝上了強(qiáng)大的降噪“濾鏡”，顯著增強(qiáng)了在干擾環(huán)境下提取清晰圖像的穩(wěn)健性。
3I-SIM的威力在實(shí)驗(yàn)中得到了全面展現(xiàn)。席鵬介紹，面對(duì)神經(jīng)元生長(zhǎng)錐這類極為敏感、極易被強(qiáng)光損傷的結(jié)構(gòu)，新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)13小時(shí)、連續(xù)拍攝超10萬(wàn)幀的超分辨成像，如同為生命活動(dòng)拍攝了一部不間斷的微觀高清紀(jì)錄片。對(duì)于細(xì)胞內(nèi)那些轉(zhuǎn)瞬即逝的微弱信號(hào)，比如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)附近肌動(dòng)蛋白的瞬間活動(dòng)，3I-SIM展現(xiàn)出了出色的高速捕捉能力。當(dāng)切換到高速模式時(shí)，其高達(dá)1697幀每秒的拍攝能力，甚至能清晰定格內(nèi)質(zhì)網(wǎng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)閉合過程中的瞬時(shí)波動(dòng)。
席鵬團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)突破性技術(shù)同步開源，公開了涵蓋硬件設(shè)計(jì)、軟件控制、重建算法以及深度學(xué)習(xí)模型在內(nèi)的完整資源包，并配套提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。席鵬說：“這種開放共享的設(shè)計(jì)理念，使全球科研團(tuán)隊(duì)能以較低的成本和門檻進(jìn)行搭建與升級(jí)，輕松邁入新一代活細(xì)胞超分辨成像的研究領(lǐng)域。”
在生命科學(xué)探索微觀世界的征途上，看清細(xì)胞內(nèi)部那些瞬息萬(wàn)變、尺度極小的精細(xì)結(jié)構(gòu)，一直是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。這些極小尺度下的動(dòng)態(tài)，如同生命活動(dòng)的基礎(chǔ)密碼。如今，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院席鵬教授團(tuán)隊(duì)，從自然界最穩(wěn)定的形狀——三角形中獲得啟迪與靈感，研發(fā)出一款名為“三角形光束干涉結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡”（3I-SIM）的引領(lǐng)性技術(shù)。該技術(shù)以“三角形架構(gòu)”突破活細(xì)胞觀測(cè)的時(shí)空極限，為其超高清、高速成像打開了嶄新大門。相關(guān)成果日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》。
“過去，科學(xué)家們利用結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（2D-SIM）技術(shù)來突破傳統(tǒng)顯微鏡的極限分辨率，看清更小的細(xì)節(jié)。但這種方法有點(diǎn)像是‘緩慢拼圖’：它先要用一束光形成明暗相間的條紋，照射樣本一次，只能提升一個(gè)方向的分辨率；為了看清整個(gè)平面，需要把這種條紋旋轉(zhuǎn)三個(gè)不同的角度（通常是正負(fù)60度），分別照射和拍照，最后再把這三組信息拼合起來。”席鵬告訴記者，這個(gè)過程不僅耗時(shí)，更關(guān)鍵的是，多次強(qiáng)光照射會(huì)對(duì)脆弱的活細(xì)胞造成傷害，加速樣本中熒光信號(hào)的衰減（即光漂白），難以長(zhǎng)時(shí)間觀察高速和精細(xì)的生命活動(dòng)。
對(duì)此，席鵬團(tuán)隊(duì)從三角形簡(jiǎn)潔高效、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特性中汲取智慧，徹底改變了研究思路。他們創(chuàng)新性地采用三束激光進(jìn)行三角干涉，一步到位直接在樣本上干涉出二維的六角晶格圖案。這一巧妙設(shè)計(jì)意味著，單次曝光就能同時(shí)采集到物體在水平和垂直方向上的高分辨率信息，完成一張超分辨圖像的重建僅需7幀原始圖像。這大大縮短了曝光時(shí)間，有效減輕了采集過程中的光漂白影響。這種設(shè)計(jì)還消除了圖像重建時(shí)煩瑣的圖案方向匹配過程，使系統(tǒng)能以最高每秒1697幀的速度進(jìn)行單幀滾動(dòng)重建，讓那些以往難以捕捉的高速生命動(dòng)態(tài)無(wú)法逃過鏡頭的追蹤。
為了確保新技術(shù)的成像質(zhì)量，研究團(tuán)隊(duì)在光的“姿態(tài)”——偏振上做足了文章。他們突破常規(guī)，沒有使用常見的角向偏振光，而是創(chuàng)新性地采用了徑向偏振策略，將對(duì)微小細(xì)節(jié)（高頻信息）的捕捉能力提升到與傳統(tǒng)2D-SIM相當(dāng)?shù)乃健Ｍ瑫r(shí)，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一套AI重建算法，如同為系統(tǒng)裝上了強(qiáng)大的降噪“濾鏡”，顯著增強(qiáng)了在干擾環(huán)境下提取清晰圖像的穩(wěn)健性。
3I-SIM的威力在實(shí)驗(yàn)中得到了全面展現(xiàn)。席鵬介紹，面對(duì)神經(jīng)元生長(zhǎng)錐這類極為敏感、極易被強(qiáng)光損傷的結(jié)構(gòu)，新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)13小時(shí)、連續(xù)拍攝超10萬(wàn)幀的超分辨成像，如同為生命活動(dòng)拍攝了一部不間斷的微觀高清紀(jì)錄片。對(duì)于細(xì)胞內(nèi)那些轉(zhuǎn)瞬即逝的微弱信號(hào)，比如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)附近肌動(dòng)蛋白的瞬間活動(dòng)，3I-SIM展現(xiàn)出了出色的高速捕捉能力。當(dāng)切換到高速模式時(shí)，其高達(dá)1697幀每秒的拍攝能力，甚至能清晰定格內(nèi)質(zhì)網(wǎng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)閉合過程中的瞬時(shí)波動(dòng)。
席鵬團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)突破性技術(shù)同步開源，公開了涵蓋硬件設(shè)計(jì)、軟件控制、重建算法以及深度學(xué)習(xí)模型在內(nèi)的完整資源包，并配套提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。席鵬說：“這種開放共享的設(shè)計(jì)理念，使全球科研團(tuán)隊(duì)能以較低的成本和門檻進(jìn)行搭建與升級(jí)，輕松邁入新一代活細(xì)胞超分辨成像的研究領(lǐng)域。”
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