西安交大在结构光照明三维成像领域取得新进展

图1.高信噪比光学切片结构光显微系统

看得更深、更清、更快，是生命科学研究的永恒追求。从神经元的复杂网络到线粒体的瞬息动态，每一个生命过程都在三维空间中上演。然而，传统成像技术往往需要在成像深度、速度、分辨率之间做出取舍。西安交通大学雷铭教授团队设计的高信噪比光学切片结构光显微系统，如同为显微镜装上“智能降噪器”，让结构光显微镜既能穿透毫米级厚组织，又能捕捉细胞器级的精细动态。

想象一下，你想观察一个完整的器官，比如老鼠的大脑，看里面的神经元是如何连接成网的。传统的显微镜往往只能看薄薄的切片，想看厚一点的样本，光线就会被散射和吸收，图像变得模糊不清，就像隔着毛玻璃看东西。为了看清活体组织内部的3D结构，科学家们开发了各种显微技术。比如，共聚焦显微镜，它像用一个小针眼挡住杂散光，图像对比度高，但扫描速度慢，光照强，容易把活细胞“照死”。光片显微镜光照温和、速度快，但对样本的大小和透明度要求苛刻。光场显微镜能一次拍下整个3D图像，速度极快，但牺牲了图像的精细度。在众多技术中，有一种叫光学切片结构光照明显微镜(Optical Sectioning Structured Illumination Microscopy, OS-SIM)的方法具有综合性优势。它的原理很巧妙：不是用“针眼”挡光，而是向样本投射一组有明暗条纹的光，像给样本“打上码”。由于只有焦平面上的条纹是清晰的，离焦背景是模糊的，通过计算，就能把属于焦平面的清晰信息解调出来，实现光学切片。这就像从一张叠影重重的照片里，只提取出你想要的那一层。OS-SIM的优点很明显：速度快、光毒性低，非常适合观察活细胞的动态。但它有一个致命伤：看不了厚组织。当光线穿透到组织深处，比如几百微米甚至几毫米厚的大脑，荧光信号会急剧衰减，同时背景噪声(杂散光)会大大增强。这导致投射的条纹对比度变差，就像在浓雾里打光，看不清条纹了。此时，传统的解码算法就会失效，输出的图像信噪比极低，结构淹没在噪声里。因此，OS-SIM一度被认为只适合看20微米以下的薄样本。这就是当前领域面临的核心科学问题：如何在保持OS-SIM高速、低毒优势的同时，突破厚组织带来的信噪比瓶颈，实现更深、更清晰的3D成像?

针对这个难题，西安交通大学物理学院雷铭团队最近开发了一套全新的策略——“HT-SHiLo”(图2A)。它不像传统方法那样“硬啃”那些已经变模糊的条纹信息，而是采取了一套组合拳：

取长补短——它从两张带条纹的图像中提取可靠的、包含结构轮廓的低频信息;同时，从常规的宽场图像中提取精细的边缘细节(高频信息)。把这两者巧妙地融合，就得到了一幅既清晰又干净的光切片图像。

空域重构——整个过程在空间域进行，避免了耗时的傅里叶变换，处理速度极快，单层图像仅需5.4毫秒，为实时3D成像铺平了道路。

令人惊喜的是，这项技术能将图像的信噪比提升约10分贝，成像深度直接翻倍(图2B-D)。用它观察经过透明化处理的老鼠大脑，穿透深度能达到惊人的2.4毫米。无论是小鼠脑中密密麻麻的神经元(图3)、果蝇大脑里调控昼夜节律的时钟神经元，还是人类结肠类器官的精细结构，都展现出了前所未有的清晰度。更重要的是，它依然保持着OS-SIM“温柔”的本色。使用极低的光照，他们成功记录下了活细胞中线粒体长达5分钟的3D动态变化(包括融合与分裂)，以及迁移体——一种在细胞迁移过程中产生的新细胞器——长达80分钟的生长和脱落全过程(图4)。

图2.基于HT-SHiLo的OS-SIM实现高信噪比3D成像。(A) HT-SHiLo算法流程图。HT，希尔伯特变换;OS，光学切片图像;WF，宽场图像;GLPF，高斯低通滤波器;GHPF，高斯高通滤波器;Lo，低频;Hi，高频。(B) HT、HiLo和HT-SHiLo算法重建的透明化小鼠脑切片神经的3D图像对比。(C) 各算法在不同成像深度下的信噪比。(D) 不同成像深度下各算法所得光学切片与WF图像的对比。

图3.组织透明化的小鼠脑切片中神经与神经元的三维图像。(A) 全脑切片的最大强度投影(MIP)图像。(B) 检测到的神经元三维分布图。(C) 神经元密度分布图(单位：个/mm³)。(D-F) 图A中对应区域的高度伪彩MIP图像。(G-I) 图D-F中放大区域的HT算法与HT-SHiLo算法成像效果对比。

图4.迁移中的Tspan4-GFP标记的NRK细胞及其迁移体的动态延时成像。(A) 初始时刻迁移细胞的高度伪彩MIP图像。(B) 图A中红框区域的细胞迁移过程，可见细胞尾部留下收缩纤维。(C) 图A中黄框内迁移体的生长过程。分别展示了沿橙色线的xoy平面和xoz平面截面图，并测量了沿橙色线和蓝色线的荧光强度变化。(D) 图A中绿框内迁移体的断裂过程。

HT-SHiLo算法让OS-SIM从一个“浅层观察者”升级为能深入组织内部的“探索者”，同时保持了高速、低光毒性的核心优势。该技术已在小鼠脑组织、果蝇神经、人类类器官、活细胞线粒体和迁移体等多种生物样本中得到验证，展现出广泛的适用性。使用该技术，生物学研究者可以用更快的速度、更低的成本、更保护样本的方式，去探索那些以往难以触及的领域——比如完整器官内的神经网络连接、肿瘤组织深处的微环境，以及发育过程中细胞群的协同行为。这项技术提供的不只是一张更清晰的图片，更是一个连接微观动态与宏观结构的桥梁，期待能够与更多领域的科学家合作，共同开启生物3D成像的新篇章。

上述研究成果以《结构光照明显微镜技术：实现从毫米厚组织到细胞动力学的高信噪比三维成像》(Structured illumination microscopy for high SNR 3D imaging from millimeter-thick tissues to cellular dynamics)为题发表在《创新》(The Innovation)。西安交通大学物理学院为论文第一单位，合作单位包括北京脑科学与类脑研究所、西安交通大学基础医学院、中国科学院上海有机化学研究所、华夏成像科技有限公司等多家单位。论文第一作者为西安交通大学物理学院王孟瑞博士，通讯作者为西安交通大学物理学院雷铭教授。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

雷铭教授团队长期从事先进光学显微成像技术及其在生物学中的应用研究，所研制的结构光照明超分辨显微镜具有国际领先水平，与国内外多家科研机构开展了研究合作。团队获批“先进光学成像融合人工智能”陕西省科技创新团队。