中國科學(xué)家發(fā)明計算超分辨圖像重建算法拓展熒光顯微鏡分辨率極限

據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京大學(xué)2021年11月15日（Nat Biotechnol，2021 Nov 15.doi：10.1038/s41587-021-01092-2.）報道，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京大學(xué)的研究團(tuán)隊發(fā)明了基于新計算原理的超分辨顯微成像技術(shù)，進(jìn)一步拓展熒光顯微鏡的分辨率極限。在時空分辨率上成功將空間分辨率從110 nm提高到60 nm，同時保持毫秒級的時間分辨率。

自2014年諾貝爾化學(xué)獎授予了超分辨顯微技術(shù)以來，超分辨成像技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，成像的分辨率得到了進(jìn)一步的提高。然而受限于熒光分子單位時間內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)，超分辨成像技術(shù)在時間分辨率和空間分辨率上難于獲得同等提高。

中國研究人員通過提出“熒光圖像的分辨率提高等價于圖像的相對稀疏性增加”這個通用先驗知識，結(jié)合之前提出的信號時空連續(xù)性先驗知識，發(fā)明了兩步迭代解卷積算法，即Sparse deconvolution方法，突破現(xiàn)有熒光顯微系統(tǒng)的光學(xué)硬件限制，首次實現(xiàn)通用計算熒光超分辨率成像。結(jié)合自主研發(fā)的超分辨率結(jié)構(gòu)光（SIM）系統(tǒng)，實現(xiàn)目前活細(xì)胞光學(xué)成像中最高空間分辨率（60 nm）下速度最快（564 Hz）、成像時間最長（1 h以上）的超分辨成像。即超快結(jié)構(gòu)光超分辨熒光顯微鏡系統(tǒng)（Sparse-SIM），該系統(tǒng)具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特點。結(jié)合商業(yè)的轉(zhuǎn)盤共聚焦結(jié)構(gòu)光顯微鏡，實現(xiàn)四色、三維、長時間的活細(xì)胞超分辨成像。該工作在活細(xì)胞中實現(xiàn)了同時高時空分辨率長時程成像且方法具有普適性，可以廣泛用于寬場成像和其他超分辨成像技術(shù)以提高這些成像方法的分辨率。

該項工作在物理和化學(xué)方法基礎(chǔ)上，首次從計算的角度提出了突破光學(xué)衍射極限的通用模型，實現(xiàn)了從0到1的原理創(chuàng)新。該技術(shù)框架也被證明適用于目前多數(shù)熒光顯微鏡成像系統(tǒng)模態(tài)，均可實現(xiàn)近2倍的穩(wěn)定空間分辨率提升，為精準(zhǔn)醫(yī)療和新藥研發(fā)提供了新一代生物醫(yī)學(xué)超分辨影像儀器，使未來大幅度加速疾病模型的高精度表征成為可能。

研究團(tuán)隊首次觀察到了胰島分泌過程中具有的兩種特征的融合孔道，第一次利用線性結(jié)構(gòu)光顯微鏡觀察到只有在非線性條件下才能分辨的環(huán)狀的不同蛋白標(biāo)記的核孔復(fù)合體與小窩蛋白。此外，研究人員還展示了利用該影像技術(shù)解析肌動蛋白動態(tài)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞深處溶酶體和脂滴的快速行為，并記錄了雙色線粒體內(nèi)外膜之間的精細(xì)相對運動。