自动化学院谭山课题组在《自然•生物技术》上合作发表论文

2023-04-19 23:50:29

4月11日，国际权威杂志《自然•生物技术》（Nature Biotechnology， SCI影响因子41.67）在线发表了题为《超快、长时程海森结构光照明超分辨显微成像》 (Fast, long-term, super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy)的论文。自动化学院谭山教授与北京大学分子医学研究所陈良怡研究员为共同通讯作者，我校博士生范骏超、北京大学博士生黄小帅、李柳菊为共同第一作者。



谭山课题组和陈良怡课题组在结构光照明超分辨荧光显微成像(SIM)的合作研究中取得重要突破，实现了低信噪比条件下活细胞的快速、长时程、超分辨成像。

背景


由于衍射极限的存在，传统荧光显微成像技术的空间分辨率无法超越200纳米。近年来，尤其以2014年诺贝尔化学奖为标志，超分辨荧光显微成像技术蓬勃发展。生物学家得以在更微观水平(更高空间分辨率)对活细胞的结构和动态过程进行观察。


谭山课题组和陈良怡课题组对SIM技术的合作研究始于2014年，经过多年努力，终于成功开发出超快、长时程、超分辨海森结构光显微成像技术(Hessian SIM)。这一技术在实现超高分辨成像的同时，首次实现了长时间活细胞的超高速成像，是目前成像时间最长、时间分辨率最高的超高分辨荧光显微成像技术。

突破

与传统SIM成像相比，Hessian SIM在软、硬件技术上均有较大突破。在硬件上，通过高数值孔径物镜、自主设计的偏振旋转玻片阵列以及高精度的时序控制程序等提高光子收集能力，减少采样时间，实现图像的超高速采集。在软件上，设计了全新的结构光参数计算方法，在低信噪比条件下仍能准确计算出重建参数；首次提出了基于多维时空连续的海森正则，利用细胞结构在时空连续而噪声不连续的特点，实现了高质量的超分辨重建；系统总结、分析了传统SIM成像中各种伪影产生的原因，提出了一整套高质量重建方案。

应用


Hessian SIM的空间分辨率可达85纳米(相当于单根头发的1/600到1/800)。当以每秒188张图像进行超高速采集时，所需光照度只有8 W/cm2。由于极低的光漂白以及光毒性，Hessian SIM可以实现100 Hz超高速采样情况下连续成像10分钟得到18万张超高分辨图像，或在1 Hz采样情况下连续进行1小时超高分辨成像而基本无光漂白。

分工


谭山课题组成员范骏超、硕士生刘灏森主要负责Hessian SIM重建算法的设计及实现，陈良怡课题组成员黄小帅、李柳菊主要负责硬件平台设计搭建及相关生物实验。北京大学分子医学研究所程和平院士对论文工作提出了指导意见。Hessian SIM的相关软、硬件技术已分别在华中科技大学及北京大学申请专利保护。

文案：自动化学院

编辑：李思岚

审核人：陈诚