中国科学家发明计算超分辨图像重建算法拓展荧光显微镜分辨率极限

据哈尔滨工业大学和北京大学2021年11月15日（Nat Biotechnol，2021 Nov 15.doi：10.1038/s41587-021-01092-2.）报道，哈尔滨工业大学和北京大学的研究团队发明了基于新计算原理的超分辨显微成像技术，进一步拓展荧光显微镜的分辨率极限。在时空分辨率上成功将空间分辨率从110 nm提高到60 nm，同时保持毫秒级的时间分辨率。

自2014年诺贝尔化学奖授予了超分辨显微技术以来，超分辨成像技术取得了巨大的进步，成像的分辨率得到了进一步的提高。然而受限于荧光分子单位时间内发出的光子数，超分辨成像技术在时间分辨率和空间分辨率上难于获得同等提高。

中国研究人员通过提出“荧光图像的分辨率提高等价于图像的相对稀疏性增加”这个通用先验知识，结合之前提出的信号时空连续性先验知识，发明了两步迭代解卷积算法，即Sparse deconvolution方法，突破现有荧光显微系统的光学硬件限制，首次实现通用计算荧光超分辨率成像。结合自主研发的超分辨率结构光（SIM）系统，实现目前活细胞光学成像中最高空间分辨率（60 nm）下速度最快（564 Hz）、成像时间最长（1 h以上）的超分辨成像。即超快结构光超分辨荧光显微镜系统（Sparse-SIM），该系统具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特点。结合商业的转盘共聚焦结构光显微镜，实现四色、三维、长时间的活细胞超分辨成像。该工作在活细胞中实现了同时高时空分辨率长时程成像且方法具有普适性，可以广泛用于宽场成像和其他超分辨成像技术以提高这些成像方法的分辨率。

该项工作在物理和化学方法基础上，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。该技术框架也被证明适用于目前多数荧光显微镜成像系统模态，均可实现近2倍的稳定空间分辨率提升，为精准医疗和新药研发提供了新一代生物医学超分辨影像仪器，使未来大幅度加速疾病模型的高精度表征成为可能。

研究团队首次观察到了胰岛分泌过程中具有的两种特征的融合孔道，第一次利用线性结构光显微镜观察到只有在非线性条件下才能分辨的环状的不同蛋白标记的核孔复合体与小窝蛋白。此外，研究人员还展示了利用该影像技术解析肌动蛋白动态网络、细胞深处溶酶体和脂滴的快速行为，并记录了双色线粒体内外膜之间的精细相对运动。