新型三角结构光照明显微镜问世 为生命活动拍摄微观高清纪录片

来源：光明日报

记者：晋浩天

在生命科学探索微观世界的征途上，看清细胞内部那些瞬息万变、尺度极小的精细结构，一直是科学家们孜孜以求的目标。这些极小尺度下的动态，如同生命活动的基础密码。如今，北京大学未来技术学院席鹏教授团队，从自然界最稳定的形状——三角形中获得启迪与灵感，研发出一款名为“三角形光束干涉结构光照明显微镜”（3I-SIM）的引领性技术。该技术以“三角形架构”突破活细胞观测的时空极限，为其超高清、高速成像打开了崭新大门。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然·光子学》。

“过去，科学家们利用结构光照明显微镜（2D-SIM）技术来突破传统显微镜的极限分辨率，看清更小的细节。但这种方法有点像是‘缓慢拼图’：它先要用一束光形成明暗相间的条纹，照射样本一次，只能提升一个方向的分辨率；为了看清整个平面，需要把这种条纹旋转三个不同的角度（通常是正负60度），分别照射和拍照，最后再把这三组信息拼合起来。”席鹏告诉记者，这个过程不仅耗时，更关键的是，多次强光照射会对脆弱的活细胞造成伤害，加速样本中荧光信号的衰减（即光漂白），难以长时间观察高速和精细的生命活动。

3I-SIM的原理与成像能力表征

对此，席鹏团队从三角形简洁高效、结构稳定的特性中汲取智慧，彻底改变了研究思路。他们创新性地采用三束激光进行三角干涉，一步到位直接在样本上干涉出二维的六角晶格图案。这一巧妙设计意味着，单次曝光就能同时采集到物体在水平和垂直方向上的高分辨率信息，完成一张超分辨图像的重建仅需7帧原始图像。这大大缩短了曝光时间，有效减轻了采集过程中的光漂白影响。这种设计还消除了图像重建时烦琐的图案方向匹配过程，使系统能以最高每秒1697帧的速度进行单帧滚动重建，让那些以往难以捕捉的高速生命动态无法逃过镜头的追踪。

为了确保新技术的成像质量，研究团队在光的“姿态”——偏振上做足了文章。他们突破常规，没有使用常见的角向偏振光，而是创新性地采用了径向偏振策略，将对微小细节（高频信息）的捕捉能力提升到与传统2D-SIM相当的水平。同时，团队自主研发了一套AI重建算法，如同为系统装上了强大的降噪“滤镜”，显著增强了在干扰环境下提取清晰图像的稳健性。

3I-SIM的威力在实验中得到了全面展现。席鹏介绍，面对神经元生长锥这类极为敏感、极易被强光损伤的结构，新技术实现了长达13小时、连续拍摄超10万帧的超分辨成像，如同为生命活动拍摄了一部不间断的微观高清纪录片。对于细胞内那些转瞬即逝的微弱信号，比如内质网附近肌动蛋白的瞬间活动，3I-SIM展现出了出色的高速捕捉能力。当切换到高速模式时，其高达1697帧每秒的拍摄能力，甚至能清晰定格内质网环状结构闭合过程中的瞬时波动。

席鹏团队将这项突破性技术同步开源，公开了涵盖硬件设计、软件控制、重建算法以及深度学习模型在内的完整资源包，并配套提供了宝贵的实验数据集。席鹏说：“这种开放共享的设计理念，使全球科研团队能以较低的成本和门槛进行搭建与升级，轻松迈入新一代活细胞超分辨成像的研究领域。”