直播開講 精彩不停

2025年4月29日，北京大學生物醫(yī)學工程學院席鵬教授課題組在讀博士生曹睿杰做客追光智匯直播間，帶來了一場關(guān)于基于結(jié)構(gòu)光照明的多模態(tài)超分辨三維層析成像技術(shù)的精彩之旅。

結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像技術(shù)是一種利用光學圖像原理突破衍射極限的顯微成像方法，廣泛應(yīng)用于活細胞與組織成像。

本次追光智匯直播間，北京大學曹睿杰同學為我們帶來了一場有關(guān)”基于結(jié)構(gòu)光照明的多模態(tài)超分辨三維層析成像技術(shù)”的研究分享，報告介紹了結(jié)構(gòu)光多模態(tài)超分辨三維層析成像技術(shù)的基本原理、實現(xiàn)方法、技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用場景，展望了該技術(shù)在生物成像領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展方向。本次分享回顧了結(jié)構(gòu)光照明顯微成像的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀問題，總結(jié)了課題組在結(jié)構(gòu)光照明顯微成像領(lǐng)域的相關(guān)研究成果，展示了結(jié)構(gòu)光多模態(tài)超分辨成像技術(shù)在生物光子領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

彈幕答疑 實時互動

Q：如何突破現(xiàn)有結(jié)構(gòu)光照明的衍射極限限制，實現(xiàn)更高分辨率的三維成像，同時保持低光毒性？在長時間活細胞成像中，如何平衡分辨率提升與光損傷，優(yōu)化照明模式和熒光標記策略？

A：從染料層面，可以通過引入飽和激發(fā)或雙光子激發(fā)的染料去實現(xiàn)非線性SIM，通過增加相位移動來求得更高級次的頻譜信息從而講SIM的分辨率推進至50nm左右，從算法層面，結(jié)合解卷積技術(shù)的SIM成像能夠達到60nm的計算分辨率。然而染料非線性的方式會增加光損傷，計算解卷積方式會帶來保真性的質(zhì)疑，因此進一步提高SIM的成像分辨率仍然是下一步需要考慮的問題。在長時程觀測中，首先熒光標記的染料需要進一步開發(fā)以提高抗光漂白性，其次長時程活細胞需要根據(jù)觀測需求決定，例如薄樣本成像僅需采用單層2D-SIM成像，對無超分辨需求的厚樣本采用寬場或光層切SIM，對于需要超分辨的厚樣本采用3DSIM模式，以進一步提高成像時程并降低成像光漂白，這也是多模態(tài)的意義。

Q：近年來，深度學習輔助的圖像重建和自適應(yīng)光學技術(shù)的引入（如AI-SIM）成為重要突破方向，該如何建立超分辨成像數(shù)據(jù)的標準化流程和定量分析方法（如三維形態(tài)計量學），確保結(jié)果的可重復性和可比性？

A：深度學習通過單圖超分辨從寬場成像得到結(jié)構(gòu)光成像結(jié)果，或?qū)Y(jié)構(gòu)光成像圖像進行去噪/反卷積后處理得到更優(yōu)結(jié)果，在這當中AI的保真性和定量性受到質(zhì)疑。從定量角度來說，基于貝葉斯的深度學習網(wǎng)絡(luò)模型可以輸出模型不確定和結(jié)果不確定的定量描述，告訴生物學家局部區(qū)域樣本的可信度。從重建角度而言將結(jié)構(gòu)光成像的物理模型引入AI重建是未來的趨勢，結(jié)合物理模型與AI的重建方法極大提高了模型的可解釋性，并能夠提升結(jié)果的可重復性與效果。

Q：如果考慮將超分辨三維層析技術(shù)應(yīng)用于厚樣本（如類器官、活體組織）的深層成像中是否需要克服散射和像差問題？

A：從硬件層面，自適應(yīng)光學是非常好的解決方案，通過更改數(shù)字微鏡器件的條紋自適應(yīng)更新深層樣本的照明條紋可以極大緩解深層樣本的條紋畸變，其次從軟件層面，開發(fā)更保真的背景去除算法去除散射背景可以緩解因散射造成的離焦背景，并提高重建質(zhì)量。

北京大學在讀博士生曹睿杰介紹的基于超分辨顯微成像技術(shù)使得生物結(jié)構(gòu)得以清晰展現(xiàn)，但如何平衡時空分辨率、光毒性、成像速度和通量目前仍是各種結(jié)構(gòu)光照明顯微成像技術(shù)技術(shù)面臨的共同挑戰(zhàn)，通過多模態(tài)融合機制、軟硬件深度結(jié)合可有效進行活細胞與組織的實時動態(tài)觀測。席鵬教授課題組長期致力于將顯微光學技術(shù)應(yīng)用于成像領(lǐng)域，在探測技術(shù)、算法開發(fā)、硬件提升等方面均取得了矚目成就。未來團隊將繼續(xù)推動結(jié)構(gòu)光成像理論研究不斷突破，探索更多快速、高分辨的光學技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)化硬件設(shè)施和系統(tǒng)升級，為生物醫(yī)學成像的發(fā)展貢獻力量。

智慧凝集 攜手同行

晶萃光學JCOPTIX自2023年底啟動了“追光計劃”系列活動，旨在打造一個促進學術(shù)與技術(shù)交流、推動學科建設(shè)、培養(yǎng)光電領(lǐng)域人才的優(yōu)質(zhì)平臺，致力于構(gòu)建無界限、多元化的互動生態(tài)，渴望讓參與者們在“追光智匯”找到專屬自己的光芒。該計劃還包含了追光者講壇、論文激勵方案等一系列活動，鼓勵光電行業(yè)從業(yè)的伙伴在光電領(lǐng)域不懈探索與創(chuàng)新。

晶萃光學JCOPTIX誠摯地向所有新老朋友發(fā)出邀請，無論您是光電領(lǐng)域的資深專家，還是懷揣夢想、初出茅廬的青年學者，我們都渴望聽到您最新的研究成果分享，也期待與每一位熱愛光電行業(yè)的伙伴不期而遇，探討科研道路上的心得體會。追光智匯欄目將持續(xù)凝集智慧與靈感之光，照亮追光路上的每一個夢想。在這個充滿無限可能的舞臺上，讓我們攜手并進，共同感受光電科技的神秘魅力，創(chuàng)造產(chǎn)學研深度融合的美好未來！