哈爾濱工業(yè)大學(xué)在超分辨顯微成像技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院先進(jìn)光電成像技術(shù)研究室(IPIC)李浩宇教授團(tuán)隊(duì)在生物醫(yī)學(xué)超分辨顯微成像技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。針對目前活體細(xì)胞超分辨成像領(lǐng)域中光子效率不足的難題，團(tuán)隊(duì)提出一種基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)的自啟發(fā)去噪方法，通過無監(jiān)督深度學(xué)習(xí)技術(shù)，在無需大訓(xùn)練集和高信噪比真值圖像的條件下，將光子效率提升了兩個(gè)數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了在低光照條件下的溫和、長時(shí)程活體成像。長期以來，現(xiàn)有顯微成像技術(shù)無法兼顧弱光毒性、高空間分辨率和高時(shí)間分辨率等方面的需求，而該技術(shù)突破了這一瓶頸，僅使用單一噪聲幀即可去噪，在轉(zhuǎn)盤共焦超分辨顯微系統(tǒng)上成功觀察到了長達(dá)3小時(shí)的五維(xyz-顏色-時(shí)間)有絲分裂過程，分辨率達(dá)到90nm。該技術(shù)具有廣泛的適用性，可廣泛應(yīng)用于各種超分辨系統(tǒng)，為在超分辨尺度下研究細(xì)胞器相互作用原理及其他生物醫(yī)學(xué)研究提供了新的科學(xué)影像工具。9月11日，該研究成果以《自啟發(fā)學(xué)習(xí)用于活細(xì)胞超分辨率顯微鏡去噪》(Self-inspired learning for denoising live-cell super-resolution microscopy)為題，以長文形式在線發(fā)表于國際權(quán)威雜志《自然方法學(xué)》(Nature Methods，2023年影響因子49.0)上。

活細(xì)胞超分辨熒光顯微成像技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是在生理友好的成像條件下保持足夠的時(shí)空分辨率。然而，提升空間分辨率通常需要增加照明強(qiáng)度或延長曝光時(shí)間，同時(shí)還需匹配時(shí)間分辨率以防止運(yùn)動(dòng)偽影，因此活細(xì)胞超分辨成像中光子效率的提升至關(guān)重要。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用監(jiān)督學(xué)習(xí)擬合噪聲圖像與干凈圖像之間的映射，能夠顯著提升光子效率，然而其需要收集大量配對的干凈圖像，難以應(yīng)用于活細(xì)胞。無監(jiān)督學(xué)習(xí)去噪方法給超分辨成像提升光子效率提供了另一種選擇，但仍需要大量的噪聲圖像對其進(jìn)行學(xué)習(xí)，去噪效果有限且數(shù)據(jù)效率低。因此，如何能在有限的數(shù)據(jù)下、在無需噪聲圖像對條件下，開發(fā)無監(jiān)督學(xué)習(xí)去噪方法提升超分辨顯微系統(tǒng)光子效率，實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞超分辨尺度下長時(shí)程成像目標(biāo)，仍是目前該領(lǐng)域內(nèi)的挑戰(zhàn)。

針對上述問題，李浩宇教授團(tuán)隊(duì)提出了一種自啟發(fā)學(xué)習(xí)超分辨去噪方法(Self-inspired Noise2Noise, 以下簡稱SN2N)。SN2N利用超分辨系統(tǒng)的空間采樣冗余特性設(shè)計(jì)自監(jiān)督數(shù)據(jù)生成策略，從單張圖像生成所需的噪聲對圖像作為數(shù)據(jù)集，并開發(fā)自約束學(xué)習(xí)策略，進(jìn)一步提高去噪性能和數(shù)據(jù)效率，使去噪效果逼近監(jiān)督學(xué)習(xí)水平。最終，SN2N能夠?qū)⒊直骘@微系統(tǒng)的光子通量提升兩個(gè)數(shù)量級以上。此外，SN2N可與多種常用光學(xué)超分辨顯微成像技術(shù)結(jié)合，成為一種易于使用的光子通量提升工具。該方法還包括細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的高精度分割解決方案，并提供智能預(yù)分析功能，有望促進(jìn)下游高通量生物信息分類和細(xì)胞器的高精度智能分割與追蹤。

四色活細(xì)胞超分辨成像——揭示細(xì)胞器互作現(xiàn)象

研究團(tuán)隊(duì)將SN2N方法進(jìn)一步結(jié)合解卷積技術(shù)(RL-SN2N)提高分辨率，并應(yīng)用于基于轉(zhuǎn)盤共聚焦超分辨顯微系統(tǒng)(Spinning Disk Confocal Structured Illumination Microscopy, 以下簡稱SD-SIM)，實(shí)現(xiàn)了清晰的四色活細(xì)胞成像(圖片1)。SN2N使得快速而復(fù)雜的細(xì)胞器動(dòng)態(tài)過程得以可視化，通過對不同細(xì)胞器的軌跡和空間分布進(jìn)行詳細(xì)記錄，追蹤多個(gè)細(xì)胞器之間的相互作用事件，深入探索細(xì)胞器之間的協(xié)同作用和相互作用關(guān)系。

圖1.SN2N在SD-SIM系統(tǒng)上的四色活細(xì)胞成像結(jié)果：線粒體(綠色)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(灰色)、溶酶體(紅色)、高爾基體(藍(lán)色)。

五維活細(xì)胞長時(shí)程超分辨成像——完整記錄有絲分裂過程

研究團(tuán)隊(duì)還使用所開發(fā)的方法在SD-SIM系統(tǒng)上成功實(shí)現(xiàn)了分辨率高達(dá)90納米的五維(xyz-顏色-時(shí)間)長時(shí)程活細(xì)胞超分辨成像。該技術(shù)揭示了在整個(gè)細(xì)胞有絲分裂過程中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(洋紅色)、線粒體(綠色)和細(xì)胞核(青色)之間的動(dòng)態(tài)組學(xué)互作，監(jiān)測時(shí)間超過3小時(shí)，為生物學(xué)家進(jìn)一步探索細(xì)胞器的功能和相互作用關(guān)系提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)(圖片2)。

圖2.SN2N實(shí)現(xiàn)五維長時(shí)程活細(xì)胞成像，記錄有絲分裂完整過程。

形象地說，SN2N技術(shù)就像一面神奇的鏡子，通過自我反射和自我啟發(fā)，將模糊的圖像轉(zhuǎn)化為清晰的圖景，把那些難以辨識的生物信息逐漸呈現(xiàn)出來。它就像一位出色的解密者，能夠?qū)㈦[藏在迷霧中的生物世界的秘密一一揭示。SN2N巧妙地利用了超分辨率顯微成像系統(tǒng)的物理特性，無需大量匹配圖像的輔助，使得活細(xì)胞溫和、長時(shí)程的超分辨成像成為現(xiàn)實(shí)。SN2N不僅打破了傳統(tǒng)超分辨顯微成像技術(shù)在光子效率和數(shù)據(jù)需求方面的瓶頸，還能應(yīng)用到多種現(xiàn)有的超分辨顯微鏡系統(tǒng)。通過SN2N，生物學(xué)家能夠在長時(shí)程、高分辨率下，清晰地觀察細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，從而更精準(zhǔn)地解讀細(xì)胞的功能與機(jī)制。這一技術(shù)的應(yīng)用，為深入探索細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了全新的視角，同時(shí)也為生物醫(yī)學(xué)研究和疾病機(jī)制的解析提供了強(qiáng)有力的工具。

該論文是第一篇哈工大為論文第一單位的《自然方法學(xué)》文章。哈工大儀器學(xué)院博士研究生曲麗穎為論文第一作者，北京大學(xué)趙士群副研究員和哈工大儀器學(xué)院博士研究生黃園園為論文共同第一作者。哈工大儀器學(xué)院趙唯淞教授為論文通訊作者，李浩宇教授和譚久彬院士為論文共同作者。該項(xiàng)工作受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。

審核編輯 黃宇