计算显微成像算法使活细胞光显微分辨率达到60 nm

近日，哈尔滨工业大学(以下简称哈工大)仪器仪表研究所在光学超分辨率显微成像技术领域取得突破性进展。在低光毒性条件下，研究团队将结构光显微镜的分辨率从110 nm提高到60 nm，实现了活细胞的长时间、超快速、超分辨率成像。11月16日，研究成果在线发表在国际权威杂志《自然生物技术》上。

显微仪器的分辨能力代表了人类科学探索的边界。哈尔滨工业大学现代显微仪器研究所团队提出了一种可以突破光学衍射极限的计算显微成像算法。利用荧光成像的正演物理模型和压缩感知理论，结合稀疏性和时空连续性的双重约束，建立了——稀疏反卷积技术的通用求解框架，突破了现有光学超分辨显微系统的硬件限制，拓展了时空分辨率和光谱。

在此基础上，研究团队开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、无创、低毒等特点。在高速成像条件下，分辨率优于60 nm，活细胞动态成像性能可达1小时以上。该团队首次观察到胰岛分泌过程中具有两个特征的融合通道。首次在线性结构光显微镜下观察到了只能在非线性条件下才能区分的不同蛋白质标记的圆形核孔复合体和小窝蛋白。此外，研究人员还演示了使用这种成像技术来分析肌动蛋白的动态网络、溶酶体和脂质微滴在深层细胞中的快速行为，并记录了双色线粒体内膜和外膜之间的精细相对运动。

本工作在物理和化学方法的基础上，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。是活细胞光学显微成像中分辨率最高(60 nm)、速度最快(每秒564帧)、成像时间最长(1小时以上)的超分辨率显微仪器。该技术框架也已被证明适用于目前大多数荧光显微镜成像系统模态，可实现近两倍的稳定空间分辨率提升，为精准医学和新药研发提供新一代生物医学超分辨率成像仪器，使未来大幅加速疾病模型的高精度表征成为可能。