上海
《道德经》有云：“道生一，一生二，二生三，三生万物”。在自然界中，三角形是最基础与最稳定的二维结构，而六边形则代表了空间最优解。然而在光学领域，传统结构光超分辨显微镜却长期依赖三条纹叠加实现“六边形式”的复杂拼合——通过旋转一维条纹三角度照明采样实现。
2025年8月15日，北京大学未来技术学院席鹏教授团队在Nature Photonics期刊上发表了文章“Triangle-beam interference structured illumination microscopy”，受三角形简洁性与高效性启发，开发出三角形光束干涉结构光照明显微镜（3I-SIM），以“三角形架构”突破活细胞观测的时空极限，为生命动态研究提供了新利器。
亚细胞结构在空间与时间尺度上呈现复杂动态，这些动态构成了生命活动的重要基础。解析其运动轨迹与相互作用，是理解细胞功能与调控机制的关键。结构光超分辨技术因其能够同时兼顾时空两个维度的分辨率，从而备受活细胞生命科学研究青睐。
传统结构光显微镜（2D-SIM）虽能突破光学衍射极限，但其工作原理如同“缓慢拼图”：通过杨氏双缝干涉得到一维条纹，从而实现一维的分辨率提升；进一步，如果需要二维分辨率提升，则将该一维条纹旋转正负60度，从而获得三个方向的超分辨信息。而在3I-SIM中，创新性地采用三角光束干涉实现二维晶格调制，单次曝光下即可同时扩展二维高频信息，仅需 7 帧原始图像即可完成重建，从而有效减轻采集过程中的光漂白影响。二维晶格调制模式的单向相移特性，避免了传统 2D-SIM 中一维条纹调制所需的多方向旋转过程，并减少了因部分频谱重复采集而造成的信息冗余。同时，该设计还消除了滚动重建中的图案方向匹配机制，摆脱了对同向条纹图案的依赖，使 3I-SIM 在单帧滚动重建策略下可实现最高1697 Hz的成像帧率。
进一步地，研究团队系统分析了偏振方向对调制能力的影响，突破了常规角向偏振的框架限制，创新性地提出径向偏振策略，将高频信息的调制能力提升至与传统 2D-SIM 相当的水平，并结合自主研发的高鲁棒性物理重建算法，显著增强了系统的抗噪性能。
图1. 3I-SIM的原理与成像能力表征。a. 3I-SIM 成像系统示意图。b. 传统2D-SIM双光束干涉与 3I-SIM 三角光束干涉调制模式的对比。c. 双通道染色的联会复合体成像结果，并展示宽场与超分辨成像的对照效果。d. 尼罗红标记的 COS-7 细胞成像结果，并展示宽场与超分辨成像的对照效果。
3I-SIM 具备更温和且高速的活细胞细胞器成像能力。研究团队在 HUVEC 细胞中对肌动蛋白丝进行成像，在 1 Hz 下连续采集超过 6000 帧，展现出稳定的长时程成像性能。在高速模式下，3I-SIM 可实现 1697 Hz 的滚动重建帧率，能够捕捉内质网环状结构闭合过程中的瞬时波动。依托其超高的时空分辨率，3I-SIM 还可实现高质量的多色成像，揭示内质网与晚期内体/溶酶体及微管在接触、重构和动态调节过程中的精细相互作用。
内质网（ER）参与调控多种脂滴（LDs）行为，其中新生 LD s的尺寸常小于衍射极限，并与 ER 发生频繁的动态互作。依托低光漂白与高速成像的优势，3I-SIM 揭示了多种 LD–ER 相互作用模式，包括LD沿 ER小管的定向迁移、在接触位点的同步移动、脱离 ER 后在松弛的 ER 多边形内的扩散运动，以及被 ER 栅栏包围时的受限运动。此外， ER 膜可锚定于 LD 并牵引延伸被完整观测，提示 LD 可能在 ER 分支形成中发挥作用。
为突破弱信号成像的限制，研究团队将物理先验与深度学习相结合，开发了 3I-Net算法，在光子受限条件下实现了超高的检测灵敏度，并显著提升了 3I-SIM 的重建质量。该技术能够清晰呈现内质网小环的快速变化与长时程形变，并在极低光剂量下实现对神经元生长锥长达 13 小时的连续追踪，捕捉到其伸展、停顿、转向与回缩等精细动态过程，为探索神经元的发育与修复机制提供了有力工具。
在哺乳动物细胞中，已有研究报道肌动蛋白丝与内质网之间存在相互作用，但其具体的时空动态特征仍缺乏系统解析。得益于 3I-SIM 的高时空分辨率，研究团队首次直观捕捉到 ER 相关肌动蛋白的快速动态变化。分析表明，ER 与肌动蛋白丝的接触位置不断改变，部分接触仅维持数十毫秒，体现出这种互作的瞬时性与高度动态性。该发现揭示了 ER 与肌动蛋白丝精密的相互作用模式，并为解析细胞内活动机制提供了新的视角。
3I-SIM 通过软硬件的协同优化，实现了更温和、更快速的超分辨成像，为活细胞成像带来关键性突破，展现出解析百纳米尺度亚细胞动态过程的强大能力，为生命科学研究提供了有力支撑。该技术已同步开源，团队开放涵盖硬件设计、软件控制、重建算法及深度学习模型在内的完整资源包，并配套提供数据集。3I-SIM 系统可在常见 2D-SIM 平台上灵活升级，有效降低技术门槛，为更多科研团队开启进入新一代活细胞超分辨成像的通道。
北京大学未来技术学院席鹏教授，生命科学学院李美琪博士为该论文共同通讯作者，北京大学未来技术学院博士生付允哲，侯宜伟为该论文共同第一作者。北京大学未来技术学院席鹏教授课题组博士生梁谦禧，博士后陈欣和金博雅为本工作做出了重要贡献。此外，该工作还得到了北京大学未来技术学院陈知行课题组，生命科学学院郑鹏里课题组等的重要支持和帮助。
https://www.nature.com/articles/s41566-025-01730-0
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