Nature Photonics | 席鹏课题组开发三角结构光照明显微镜，引领活细胞超分辨新时代
信息来源：席鹏教授团队
时空解析需求
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。近日，北京大学未来技术学院席鹏教授团队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。相关成果以“Triangle-beam interference structured illumination microscopy”为题，发表于国际权威期刊Nature Photonics，为生命动态研究提供新利器。
三角形架构新范式
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。然而，传统结构光超分辨显微镜（2D-SIM）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。其工作原理如同“缓慢拼图”，大大限制了成像速度并带来了额外的光漂白。团队提出的3I-SIM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。
3I-SIM的原理与成像能力表征
深度学习赋能
研究团队同时开发了基于共监督的深度学习重建方法 3I-Net，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, 突破了常规成像在低信噪比条件下的限制，从而实现了对神经元生长锥等光敏感结构长达 13 小时、10万帧超分辨图像的动态监测，以及对内质网相关肌动蛋白等瞬时弱信号的超分辨高速捕捉。
开放共享平台
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。
协作矩阵
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，以及北京艾锐精仪科技有限公司的重要支持和帮助。该研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目的大力支持。