在生命科學探索微觀世界的征途上，看清細胞內部那些瞬息萬變、尺度極小的精細結構，一直是科學家們孜孜以求的目標。這些極小尺度下的動態，如同生命活動的基礎密碼。如今，北京大學未來技術學院席鵬教授團隊，從自然界最穩定的形狀——三角形中獲得啟迪與靈感，研發出一款名為“三角形光束干涉結構光照明顯微鏡”(3I-SIM)的引領性技術。該技術以“三角形架構”突破活細胞觀測的時空極限，為其超高清、高速成像打開了嶄新大門。相關成果日前發表于國際學術期刊《自然·光子學》。
“過去，科學家們利用結構光照明顯微鏡(2D-SIM)技術來突破傳統顯微鏡的極限分辨率，看清更小的細節。但這種方法有點像是‘緩慢拼圖’：它先要用一束光形成明暗相間的條紋，照射樣本一次，只能提升一個方向的分辨率;為了看清整個平面，需要把這種條紋旋轉三個不同的角度(通常是正負60度)，分別照射和拍照，最后再把這三組信息拼合起來。”席鵬告訴記者，這個過程不僅耗時，更關鍵的是，多次強光照射會對脆弱的活細胞造成傷害，加速樣本中熒光信號的衰減(即光漂白)，難以長時間觀察高速和精細的生命活動。
對此，席鵬團隊從三角形簡潔高效、結構穩定的特性中汲取智慧，徹底改變了研究思路。他們創新性地采用三束激光進行三角干涉，一步到位直接在樣本上干涉出二維的六角晶格圖案。這一巧妙設計意味著，單次曝光就能同時采集到物體在水平和垂直方向上的高分辨率信息，完成一張超分辨圖像的重建僅需7幀原始圖像。這大大縮短了曝光時間，有效減輕了采集過程中的光漂白影響。這種設計還消除了圖像重建時煩瑣的圖案方向匹配過程，使系統能以最高每秒1697幀的速度進行單幀滾動重建，讓那些以往難以捕捉的高速生命動態無法逃過鏡頭的追蹤。
為了確保新技術的成像質量，研究團隊在光的“姿態”——偏振上做足了文章。他們突破常規，沒有使用常見的角向偏振光，而是創新性地采用了徑向偏振策略，將對微小細節(高頻信息)的捕捉能力提升到與傳統2D-SIM相當的水平。同時，團隊自主研發了一套AI重建算法，如同為系統裝上了強大的降噪“濾鏡”，顯著增強了在干擾環境下提取清晰圖像的穩健性。
3I-SIM的威力在實驗中得到了全面展現。席鵬介紹，面對神經元生長錐這類極為敏感、極易被強光損傷的結構，新技術實現了長達13小時、連續拍攝超10萬幀的超分辨成像，如同為生命活動拍攝了一部不間斷的微觀高清紀錄片。對于細胞內那些轉瞬即逝的微弱信號，比如內質網附近肌動蛋白的瞬間活動，3I-SIM展現出了出色的高速捕捉能力。當切換到高速模式時，其高達1697幀每秒的拍攝能力，甚至能清晰定格內質網環狀結構閉合過程中的瞬時波動。
席鵬團隊將這項突破性技術同步開源，公開了涵蓋硬件設計、軟件控制、重建算法以及深度學習模型在內的完整資源包，并配套提供了寶貴的實驗數據集。席鵬說：“這種開放共享的設計理念，使全球科研團隊能以較低的成本和門檻進行搭建與升級，輕松邁入新一代活細胞超分辨成像的研究領域。”
責任編輯：陸迪
