西安交通大學雷銘教授團隊在結構光照明三維成像領域取得新進展

看得更深、更清、更快，是生命科學研究的永恒追求。從神經元的復雜網絡到線粒體的瞬息動態，每一個生命過程都在三維空間中上演。然而，傳統成像技術往往需要在成像深度、速度、分辨率之間做出取舍。西安交通大學雷銘教授團隊設計的高信噪比光學切片結構光顯微系統，如同為顯微鏡裝上“智能降噪器”，讓結構光顯微鏡既能穿透毫米級厚組織，又能捕捉細胞器級的精細動態。

圖1 高信噪比光學切片結構光顯微系統。

想象一下，你想觀察一個完整的器官，比如老鼠的大腦，看里面的神經元是如何連接成網的。傳統的顯微鏡往往只能看薄薄的切片，想看厚一點的樣本，光線就會被散射和吸收，圖像變得模糊不清，就像隔著毛玻璃看東西。為了看清活體組織內部的3D結構，科學家們開發了各種顯微技術。比如，共聚焦顯微鏡，它像用一個小針眼擋住雜散光，圖像對比度高，但掃描速度慢，光照強，容易把活細胞“照死”。光片顯微鏡光照溫和、速度快，但對樣本的大小和透明度要求苛刻。光場顯微鏡能一次拍下整個3D圖像，速度極快，但犧牲了圖像的精細度。在眾多技術中，有一種叫光學切片結構光照明顯微鏡（Optical Sectioning Structured Illumination Microscopy, OS-SIM）的方法具有綜合性優勢。它的原理很巧妙：不是用“針眼”擋光，而是向樣本投射一組有明暗條紋的光，像給樣本“打上碼”。由于只有焦平面上的條紋是清晰的，離焦背景是模糊的，通過計算，就能把屬于焦平面的清晰信息解調出來，實現光學切片。這就像從一張疊影重重的照片里，只提取出你想要的那一層。OS-SIM的優點很明顯：速度快、光毒性低，非常適合觀察活細胞的動態。但它有一個致命傷：看不了厚組織。當光線穿透到組織深處，比如幾百微米甚至幾毫米厚的大腦，熒光信號會急劇衰減，同時背景噪聲（雜散光）會大大增強。這導致投射的條紋對比度變差，就像在濃霧里打光，看不清條紋了。此時，傳統的解碼算法就會失效，輸出的圖像信噪比極低，結構淹沒在噪聲里。因此，OS-SIM一度被認為只適合看20微米以下的薄樣本。

這就是當前領域面臨的核心科學問題：如何在保持OS-SIM高速、低毒優勢的同時，突破厚組織帶來的信噪比瓶頸，實現更深、更清晰的3D成像？針對這個難題，最近西安交通大學物理學院雷銘團隊開發了一套全新的策略——“HT-SHiLo”（圖2A）。它不像傳統方法那樣“硬啃”那些已經變模糊的條紋信息，而是采取了一套組合拳：

(1).取長補短：它從兩張帶條紋的圖像中提取可靠的、包含結構輪廓的低頻信息；同時，從常規的寬場圖像中提取精細的邊緣細節（高頻信息）。把這兩者巧妙地融合，就得到了一幅既清晰又干凈的光切片圖像。

(2).空域重構：整個過程在空間域進行，避免了耗時的傅里葉變換，處理速度極快，單層圖像僅需5.4毫秒，為實時3D成像鋪平了道路。

效果如何？令人驚喜的是，這項技術能將圖像的信噪比提升約10分貝，成像深度直接翻倍（圖2B-D）。用它觀察經過透明化處理的老鼠大腦，穿透深度能達到驚人的2.4毫米。無論是小鼠腦中密密麻麻的神經元（圖3）、果蠅大腦里調控晝夜節律的時鐘神經元，還是人類結腸類器官的精細結構，都展現出了前所未有的清晰度。更重要的是，它依然保持著OS-SIM“溫柔”的本色。使用極低的光照，他們成功記錄下了活細胞中線粒體長達5分鐘的3D動態變化（包括融合與分裂），以及遷移體——一種在細胞遷移過程中產生的新細胞器——長達80分鐘的生長和脫落全過程（圖4）。

HT-SHiLo算法讓OS-SIM從一個“淺層觀察者”升級為能深入組織內部的“探索者”，同時保持了高速、低光毒性的核心優勢。該技術已在小鼠腦組織、果蠅神經、人類類器官、活細胞線粒體和遷移體等多種生物樣本中得到驗證，展現出廣泛的適用性。使用該技術，生物學研究者可以用更快的速度、更低的成本、更保護樣本的方式，去探索那些以往難以觸及的領域——比如完整器官內的神經網絡連接、腫瘤組織深處的微環境、以及發育過程中細胞群的協同行為。這項技術提供的不只是一張更清晰的圖片，更是一個連接微觀動態與宏觀結構的橋梁，期待能夠與更多領域的科學家合作，共同開啟生物3D成像的新篇章。

上述研究成果以“Structured illumination microscopy for high SNR 3D imaging from millimeter-thick tissues to cellular dynamics”為題發表在《The Innovation》。該論文以西安交通大學物理學院為第一單位，合作單位包括北京腦科學與類腦研究所，西安交通大學基礎醫學院、中國科學院上海有機化學研究所、華夏成像科技有限公司等多家單位。論文第一作者為西安交通大學物理學院王孟瑞博士，通訊作者為西安交通大學物理學院雷銘教授。這項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。雷銘團隊長期從事先進光學顯微成像技術及其在生物學中的應用研究，所研制的結構光照明超分辨顯微鏡具有國際領先水平，與國內外多家科研機構開展了研究合作。團隊獲批“先進光學成像融合人工智能”陜西省科技創新團隊。更多內容可參見雷銘教授團隊校內主頁http://gr.xjtu.edu.cn/web/ming.lei

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675826000688?via%3Dihub

圖2 基于HT-SHiLo的OS-SIM實現高信噪比3D成像。(A) HT-SHiLo算法流程圖。HT，希爾伯特變換；OS，光學切片圖像；WF，寬場圖像；GLPF，高斯低通濾波器；GHPF，高斯高通濾波器；Lo，低頻；Hi，高頻。(B) HT、HiLo和HT-SHiLo算法重建的透明化小鼠腦切片神經的3D圖像對比。(C) 各算法在不同成像深度下的信噪比。(D) 不同成像深度下各算法所得光學切片與WF圖像的對比。

圖3 組織透明化的小鼠腦切片中神經與神經元的三維圖像。(A) 全腦切片的最大強度投影（MIP）圖像。(B) 檢測到的神經元三維分布圖。(C) 神經元密度分布圖（單位：個/mm3）。(D-F) 圖A中對應區域的高度偽彩MIP圖像。(G-I) 圖D-F中放大區域的HT算法與HT-SHiLo算法成像效果對比。

圖4 遷移中的Tspan4-GFP標記的NRK細胞及其遷移體的動態延時成像。(A) 初始時刻遷移細胞的高度偽彩MIP圖像。(B) 圖A中紅框區域的細胞遷移過程，可見細胞尾部留下收縮纖維。(C) 圖A中黃框內遷移體的生長過程。分別展示了沿橙色線的xoy平面和xoz平面截面圖，并測量了沿橙色線和藍色線的熒光強度變化。(D) 圖A中綠框內遷移體的斷裂過程。