合理化深度學(xué)習(xí)超分辨顯微成像方法能夠適用于包括二維/三維結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（2D/3D-SIM）、晶格光片顯微鏡（LLSM）等在內(nèi)的多種顯微成像模態(tài)，提供高分辨率、高保真的顯微圖像重建性能，相較于傳統(tǒng)方法大幅提升成像時(shí)程和速度。借助合理化深度學(xué)習(xí)超分辨成像技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了諸多過(guò)去的成像手段無(wú)法開(kāi)展的超分辨活體成像實(shí)驗(yàn)，包括以下五項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

對(duì)滴落在玻片上的U2OS細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了雙色、長(zhǎng)時(shí)程（1小時(shí)以上）、超分辨（97nm分辨率）觀測(cè)，清晰、真實(shí)地記錄了細(xì)胞粘附和遷移的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，而不會(huì)干擾這一漫長(zhǎng)、脆弱的生命過(guò)程；對(duì)高速擺動(dòng)纖毛以當(dāng)前最快的684Hz成像速率進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)60,000個(gè)時(shí)間點(diǎn)的連續(xù)超分辨觀測(cè)，過(guò)程中無(wú)明顯光漂白或細(xì)胞活性損傷；同時(shí)對(duì)擺動(dòng)纖毛及纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（IFT）進(jìn)行了超快、超分辨雙色成像，首次揭示了IFT在行進(jìn)途中碰撞、重組、掉頭等多種新行為；通過(guò)對(duì)與DNA結(jié)合的循環(huán)GMP-AMP合成酶（cGAS-DNA）與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）進(jìn)行雙色、長(zhǎng)時(shí)程、超分辨成像，觀測(cè)到cGAS-DNA在保持與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)持續(xù)接觸過(guò)程中的定向運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向或擴(kuò)散等行為，拓展了對(duì)膜性細(xì)胞器與無(wú)膜細(xì)胞器相互作用機(jī)制的認(rèn)知；對(duì)HeLa 細(xì)胞分裂過(guò)程中的核仁磷酸蛋白（NPM1）、RNA聚合酶I亞基RPA49以及染色質(zhì)（H2B）進(jìn)行超長(zhǎng)時(shí)程（12秒采集間隔，2.5小時(shí)以上）的三維超分辨活體成像，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)完整有絲分裂過(guò)程中核仁磷酸蛋白與RPA49兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的三維超分辨活體連續(xù)觀測(cè)，揭示了細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中核仁形成以及核仁磷酸蛋白、RPA49兩種無(wú)膜亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的相變、互作規(guī)律；以10Hz的全細(xì)胞體成像幀率對(duì)高爾基體進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10,000時(shí)間點(diǎn)的連續(xù)拍攝，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)完整細(xì)胞分裂過(guò)程內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體、線粒體等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的三色、高速（秒量級(jí)）、超長(zhǎng)時(shí)程（小時(shí)量級(jí)，>1000個(gè)時(shí)間點(diǎn)）三維觀測(cè)，深入探究了細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中細(xì)胞器在子代細(xì)胞中的均勻分配機(jī)制。

近日，上述成果在《自然·生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）期刊發(fā)表題為“基于合理化深度學(xué)習(xí)超分辨顯微成像的快速、長(zhǎng)時(shí)程活體亞細(xì)胞過(guò)程觀測(cè)”（Rationalized deep learning super-resolution microscopy for sustained live imaging of rapid subcellular processes）的論文�！蹲匀弧ど�物技術(shù)》雜志以封面文章的形式對(duì)這一研究成果進(jìn)行報(bào)道，同時(shí)發(fā)表了《研究簡(jiǎn)述》（Research Briefing）文章對(duì)其重點(diǎn)介紹。

清華大學(xué)自動(dòng)化系博士后喬暢，中國(guó)科學(xué)院生物物理所正高級(jí)工程師李迪、助理研究員劉勇、張思微為該論文共同第一作者，清華大學(xué)自動(dòng)化系教授戴瓊海，中國(guó)科學(xué)院生物物理所研究員李棟和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員詹妮弗·利平科特-施瓦茨（Jennifer Lippincott-Schwartz）為共同通訊作者。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)博士后科學(xué)基金、騰訊“科學(xué)探索獎(jiǎng)”、清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01471-3