近日，哈爾濱工業(yè)大學儀器學院先進光電成像技術(shù)研究室(IPIC)李浩宇教授團隊在生物醫(yī)學超分辨顯微成像技術(shù)領域取得突破性進展。針對目前活體細胞超分辨成像領域中光子效率不足的難題，團隊提出一種基于無監(jiān)督學習的自啟發(fā)去噪方法，通過無監(jiān)督深度學習技術(shù)，在無需大訓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數(shù)量級，實現(xiàn)了在低光照條件下的溫和、長時程活體成像。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3小時的五維(xyz-顏色-時間)有絲分裂過程，分辨率達到90nm。該技術(shù)具有廣泛的適用性，可廣泛應用于各種超分辨系統(tǒng)，為在超分辨尺度下研究細胞器相互作用原理及其他生物醫(yī)學研究提供了新的科學影像工具。9月11日，該研究成果以《自啟發(fā)學習用于活細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》(Nature Methods，2023年影響因子49.0)上。

活細胞超分辨熒光顯微成像技術(shù)的發(fā)展目標是在生理友好的成像條件下保持足夠的時空分辨率。然而，提升空間分辨率通常需要增加照明強度或延長曝光時間，同時還需匹配時間分辨率以防止運動偽影，因此活細胞超分辨成像中光子效率的提升至關重要。深度神經(jīng)網(wǎng)絡利用監(jiān)督學習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，難以應用于活細胞。無監(jiān)督學習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行學習，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)督學習去噪方法提升超分辨顯微系統(tǒng)光子效率，實現(xiàn)活細胞超分辨尺度下長時程成像目標，仍是目前該領域內(nèi)的挑戰(zhàn)。

針對上述問題，李浩宇教授團隊提出了一種自啟發(fā)學習超分辨去噪方法(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計自監(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)自約束學習策略，進一步提高去噪性能和數(shù)據(jù)效率，使去噪效果逼近監(jiān)督學習水平。最終，SN2N能夠?qū)⒊直骘@微系統(tǒng)的光子通量提升兩個數(shù)量級以上。此外，SN2N可與多種常用光學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。該方法還包括細胞器結(jié)構(gòu)的高精度分割解決方案，并提供智能預分析功能，有望促進下游高通量生物信息分類和細胞器的高精度智能分割與追蹤。

四色活細胞超分辨成像——揭示細胞器互作現(xiàn)象

研究團隊將SN2N方法進一步結(jié)合解卷積技術(shù)(RL-SN2N)提高分辨率，并應用于基于轉(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)，實現(xiàn)了清晰的四色活細胞成像(圖片1)。SN2N使得快速而復雜的細胞器動態(tài)過程得以可視化，通過對不同細胞器的軌跡和空間分布進行詳細記錄，追蹤多個細胞器之間的相互作用事件，深入探索細胞器之間的協(xié)同作用和相互作用關系。

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

五維活細胞長時程超分辨成像——完整記錄有絲分裂過程

研究團隊還使用所開發(fā)的方法在SD-SIM系統(tǒng)上成功實現(xiàn)了分辨率高達90納米的五維(xyz-顏色-時間)長時程活細胞超分辨成像。該技術(shù)揭示了在整個細胞有絲分裂過程中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(洋紅色)、線粒體(綠色)和細胞核(青色)之間的動態(tài)組學互作，監(jiān)測時間超過3小時，為生物學家進一步探索細胞器的功能和相互作用關系提供了重要的實驗依據(jù)(圖片2)。

圖2.SN2N實現(xiàn)五維長時程活細胞成像，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，使得活細胞溫和、長時程的超分辨成像成為現(xiàn)實。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，還能應用到多種現(xiàn)有的超分辨顯微鏡系統(tǒng)。通過SN2N，生物學家能夠在長時程、高分辨率下，清晰地觀察細胞內(nèi)部復雜的動態(tài)變化，從而更精準地解讀細胞的功能與機制。這一技術(shù)的應用，為深入探索細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了全新的視角，同時也為生物醫(yī)學研究和疾病機制的解析提供了強有力的工具。

該論文是第一篇哈工大為論文第一單位的《自然方法學》文章。哈工大儀器學院博士研究生曲麗穎為論文第一作者，北京大學趙士群副研究員和哈工大儀器學院博士研究生黃園園為論文共同第一作者。哈工大儀器學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。該項工作受到科技部重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金項目資助。

審核編輯 黃宇