时空解析需求

亚细胞结构在空间与时间尺度上展现出复杂而精细的动态，这些动态构成了生命活动的重要基础。准确解析其运动轨迹与相互作用，是理解细胞功能与调控机制的关键。结构光超分辨显微技术因能够同时兼顾空间与时间分辨率，逐渐成为活细胞生命科学研究的重要工具。然而，传统结构光显微镜仍长期依赖三条纹叠加实现“六边形”信息拼合——通过旋转一维条纹进行多角度采样。这种方式不仅使得成像机制复杂，也限制了成像速度与时程，从而制约了对快速动态过程的解析。

近日，北京大学未来技术学院席鹏教授团队受三角形简洁性与高效性启发，开发出三角形光束干涉结构光照明显微镜（3I-SIM），以“三角形架构”突破活细胞观测的时空极限，单帧滚动重建策略下可实现最高 1697 Hz的成像帧率。同时通过深度学习赋能，实现了对神经元生长锥等光敏感结构长达 13 小时、10 万帧超分辨图像的动态监测，以及对内质网相关肌动蛋白等瞬时弱信号的超分辨高速捕捉。相关成果“Triangle-beam interference structured illumination microscopy”，已发表于国际权威期刊Nature Photonics。

北京大学未来技术学院席鹏教授，生命科学学院李美琪博士为该论文共同通讯作者，北京大学未来技术学院博士生付允哲，侯宜伟为该论文共同第一作者。该研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目的大力支持。

三角形架构新范式

传统结构光显微镜（2D-SIM）虽能突破光学衍射极限，但其工作原理如同“缓慢拼图”：通过杨氏双缝干涉得到一维条纹，从而实现一维的分辨率提升；进一步，如果需要二维分辨率提升，则将该一维条纹旋转正负 60 度，从而获得三个方向的超分辨信息。团队提出的3I-SIM创新性地采用三角光束干涉实现二维晶格调制，单次曝光下即可同时扩展二维高频信息，仅需 7 帧原始图像即可完成重建，从而有效减轻采集过程中的光漂白影响。

图1 3I-SIM的原理与成像能力表征

二维晶格调制模式的单向相移特性，避免了传统2D-SIM中一维条纹调制所需的多方向旋转过程，并减少了因部分频谱重复采集而造成的信息冗余。同时，该设计还消除了滚动重建中的图案方向匹配机制，摆脱了对同向条纹图案的依赖，使3I-SIM在单帧滚动重建策略下可实现最高 1697 Hz的成像帧率。

深度学习赋能

研究团队同时开发了基于共监督的深度学习重建方法3I-Net，在光子受限条件下实现了超高的检测灵敏度，并显著提升了3I-SIM的重建质量, 突破了常规成像在低信噪比条件下的限制，从而实现了对神经元生长锥等光敏感结构长达 13 小时、10 万帧超分辨图像的动态监测，以及对内质网相关肌动蛋白等瞬时弱信号的超分辨高速捕捉。

图2 深度学习提升了3I-SIM在光子受限条件下的成像能力

开放共享平台

3I-SIM通过软硬件的协同优化，实现了更温和、更快速的超分辨成像，为活细胞成像带来关键性突破，展现出解析百纳米尺度亚细胞动态过程的强大能力，为生命科学研究提供了有力支撑。该技术已同步开源（下拉至文末可获取网址），团队开放涵盖硬件设计、软件控制、重建算法及深度学习模型在内的完整资源包，并配套提供数据集。3I-SIM系统可在常见2D-SIM平台上灵活升级，有效降低技术门槛，为更多科研团队开启进入新一代活细胞超分辨成像的通道。

研究应用与展望

3I-SIM在减少曝光与光漂白的同时实现了高时空分辨率成像，适合长时程动态监测和快速瞬态过程的捕捉。未来，随着光场能量利用方法的改进，该技术有望在降低功率需求的同时进一步拓展三维成像能力。潜在应用方面，3I-SIM能够在长时间尺度上观察神经元生长锥的结构重塑与迁移轨迹，解析内质网与肌动蛋白丝之间的瞬时相互作用，也可用于监测线粒体与溶酶体的短暂接触事件，以及细胞迁移过程中膜结构的动力学变化。这些能力将为研究神经系统发育、细胞器互作与膜动力学等关键生物学问题提供新的成像手段。

本文作者

席鹏，李美琪，付允哲，侯宜伟 北京大学（未来技术学院）