计算显微成像算法使活细胞光显微分辨率达60纳米

近日，哈尔滨工业大学（以下简称哈工大）仪器学院现代显微仪器研究所在光学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。研究团队在低光毒性条件下，把结构光显微镜的分辨率从110纳米提高到60纳米，实现了长时程、超快速、活细胞超分辨成像。11月16日，研究成果在线发表于国际权威杂志《自然·生物技术》。

显微仪器的分辨能力代表人类对科学探索的边界。哈工大现代显微仪器研究所团队提出了一种可突破光学衍射极限的计算显微成像算法，利用荧光成像的前向物理模型与压缩感知理论，并结合稀疏性与时空连续性的双约束条件，建立起一个通用的解算框架——稀疏解卷积技术，突破了现有光学超分辨显微系统的硬件限制，扩展了时空分辨率和频谱。

在此基础上，研究团队研发了超快结构光超分辨荧光显微镜系统，该系统具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特点，在高速成像条件下，具备优于60纳米的分辨率和超过1小时的超长时间活细胞动态成像性能。团队首次观察到了胰岛分泌过程中具有的两种特征的融合孔道，第一次利用线性结构光显微镜观察到只有在非线性条件下才能分辨的环状的不同蛋白标记的核孔复合体与小窝蛋白。此外，研究人员还展示了利用该影像技术解析肌动蛋白动态网络、细胞深处溶酶体和脂滴的快速行为，并记录了双色线粒体内外膜之间的精细相对运动。

该项工作在物理和化学方法基础上，首次从计算的角度提出了突破光学衍射极限的通用模型，实现了从0到1的原理创新，是目前活细胞光学显微成像中分辨率最高（60纳米）、速度最快（564帧/秒）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨显微仪器。该技术框架也被证明适用于目前多数荧光显微镜成像系统模态，均可实现近两倍的稳定空间分辨率提升，为精准医疗和新药研发提供了新一代生物医学超分辨影像仪器，使未来大幅度加速疾病模型的高精度表征成为可能。（记者李丽云）