共聚焦显微镜再突破——50纳米级细胞超微结构观察成为可能

在《自然》杂志线上的一篇标题为“Multiview Confocal Super-Resolution Microscopy”的论文中，美国国家生物医学成像与生物工程研究所（NIBIB）的研究人员通过硬件创新和深度学习方法，成功地提高了共聚焦显微镜的体积分辨率10 倍以上，并降低了光毒性，使活体样本的精细结构以更高的分辨率进行三维成像。
 
该团队建立了多视角扫描共聚焦显微镜，以提高传统共聚焦显微镜的轴向性能。三个物镜从不同方向成像样本，快速捕获、准确和集成多个视角的信息，产生比传统共聚焦显微镜分辨率更高的三维图像，提高厚样本成像的渗透性。该团队进一步将线扫描与结构化照明超分辨显微技术有机结合，可以对线虫等散射强烈的样本进行三维超分辨成像。

结合深度学习网络的三维超分辨率显微镜（图片来自网络）
Tips:共聚焦显微镜广泛应用于生物医学研究，尤其是厚样品的三维成像
 
传统的共聚焦显微镜由于光毒性大，在使用时往往通过降低光照水平来减少聚焦激光对样品的损坏，从而获取更长的成像时间，但较低的光照水平在解析精细特征时效果较差。该团队利用低信噪比和高信噪比图像对训练深度学习模型实现低光水平下的信号改进，从而获得各种生物过程的高分辨率三维图像，包括线虫胚胎从抽动到孵化的长期观察。此外，该团队还训练了从共聚焦图像到共聚焦超分辨图像的深度学习模型，对动态过程进行超分辨三维成像。研究人员还发现，单视角扫描结构光成像只能在一个方向上提高成像分辨率，但如果有足够的培训数据，深度学习模型可以将单向分辨率提高到高维图像，扩大超分辨率显微的潜力。
 
该项技术已具备在20多个不同的固定样本和活体样本上成像的能力，包括单细胞中的蛋白质分布、线虫胚胎、幼虫和成虫中的细胞核和神经元、果蝇翅成虫盘和小鼠肾脏、食管、心脏和脑组织中的成肌细胞。这项显微成像技术为生物学研究提供了一种全新的方法，将帮助科学家解决更深入的生物问题，并且在组织学和病理实验室中成像人体组织方面有较大前景。
 
研究团队成员苏怡骏表示，如该系统能够和膨胀显微镜进行有机的结合，有望在一个完整的生物样本中，观察小于50纳米的细胞超微结构。目前，研究团队和其他合作伙伴已经利用该系统完成了一些生物应用，并将陆续发布。我们也期待这种新的显微成像系统会带来更多的惊喜！
相关论文信息：
DOI：10.1038/s41586-021-04110-0