近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院現(xiàn)代顯微儀器研究所在光學(xué)超分辨顯微成像技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進展。研究團隊在低光毒性條件下，把結(jié)構(gòu)光顯微鏡的分辨率從110納米提高到60納米，實現(xiàn)了長時程、超快速、活細胞超分辨成像。11月16日，研究成果以《稀疏解卷積增強活細胞超分辨熒光顯微鏡的分辨率》（Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy）為題，以長文形式在線發(fā)表于國際權(quán)威雜志《自然－生物技術(shù)》（Nature Biotechnology，2020年影響因子54.908，只發(fā)表對生命科學(xué)領(lǐng)域有重大突破的工程技術(shù)）。

該項研究成果主要由哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院和北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院合作完成。哈爾濱工業(yè)大學(xué)為論文第一單位，哈工大博士生趙唯淞、北大博士后趙士群和李柳菊為論文共同第一作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李浩宇副教授和北大陳良怡教授為論文共同通訊作者，我校劉儉教授和譚久彬院士均為論文共同作者和哈工大科研團隊負責(zé)人。合作單位還包括中科院國家納米中心、中科院生物物理所、武漢大學(xué)等。

顯微儀器的分辨能力代表人類對科學(xué)探索的邊界，2014年諾貝爾化學(xué)獎就授予了3位在超分辨率熒光顯微技術(shù)領(lǐng)域取得重要成就的學(xué)者。哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代顯微儀器研究所團隊提出了一種可突破光學(xué)衍射極限的計算顯微成像算法，利用熒光成像的前向物理模型與壓縮感知理論，并結(jié)合稀疏性與時空連續(xù)性的雙約束條件，建立起一個通用的解算框架——稀疏解卷積技術(shù)，突破了現(xiàn)有光學(xué)超分辨顯微系統(tǒng)的硬件限制，擴展了時空分辨率和頻譜。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊研發(fā)了超快結(jié)構(gòu)光超分辨熒光顯微鏡系統(tǒng)（Sparse-SIM），該系統(tǒng)具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特點，在高速成像條件下，具備優(yōu)于60納米的分辨率和超過1小時的超長時間活細胞動態(tài)成像性能。團隊首次觀察到了胰島分泌過程中具有的兩種特征的融合孔道，第一次利用線性結(jié)構(gòu)光顯微鏡觀察到只有在非線性條件下才能分辨的環(huán)狀的不同蛋白標(biāo)記的核孔復(fù)合體與小窩蛋白。此外，研究人員還展示了利用該影像技術(shù)解析肌動蛋白動態(tài)網(wǎng)絡(luò)、細胞深處溶酶體和脂滴的快速行為，并記錄了雙色線粒體內(nèi)外膜之間的精細相對運動。

該項工作在物理和化學(xué)方法基礎(chǔ)上，首次從計算的角度提出了突破光學(xué)衍射極限的通用模型，實現(xiàn)了從0到1的原理創(chuàng)新，是目前活細胞光學(xué)顯微成像中分辨率最高（60納米）、速度最快（564幀/秒）、成像時間最長（1小時以上）的超分辨顯微儀器。該技術(shù)框架也被證明適用于目前多數(shù)熒光顯微鏡成像系統(tǒng)模態(tài)，均可實現(xiàn)近兩倍的穩(wěn)定空間分辨率提升，為精準(zhǔn)醫(yī)療和新藥研發(fā)提供了新一代生物醫(yī)學(xué)超分辨影像儀器，使未來大幅度加速疾病模型的高精度表征成為可能。