PDF《活细胞超灵敏结构光超高分辨率显微镜》

第4期中国科学基金367?研究进展? 活细胞超灵敏结构光超高分辨率显微镜 黄小帅1 李柳菊1 范俊超2 刘彦梅1 谭山2 陈良怡1? ( 1.

膜生物学国家重点实验室 北京大学分子医学研究所, 北京

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2.教育部图像处理和智能控制实验室 华中科技大学自动化学院, 武汉

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7 4 ) 收稿日期:

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修回日期:

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2 4 ? 通讯作者, E m a i l : l y c h e n @p k u . e d u . c n [ 摘要] 由于超分辨率显微镜需要额外的照明来换取更高的空间分辨率, 导致了现在的超分辨 率显微镜存在时间分辨率低和记录时间短两个问题.虽然结构光照明显微镜在获得超分辨率图像 和所需要光子数方面有一个更好的平衡, 相比其他超分辨率技术更有优势, 但是传统的结构光照明 显微镜的重构方式在信噪比比较低的时候会明显存在伪影.在本文中, 我们利用生物样本在 x y t 三维空间的连续性作为先验知识, 发展出了基于海森范数的正则化方式, 并用来重构出伪影更少的 结构光照明显微镜的超分辨率图像.与维纳反卷积这个经典的重构算法相比, 海森反卷积只需要 在成像时百分之十的光子数就可以达到同样的超分辨图像的重建效果.在激光强度为8―2

5 0W / c m

2 的情况下, 海森结构光照明显微镜在活细胞中对快速分泌的囊泡、 内质网等进行空间分辨率达 到8

8 n m, 时间分辨率达到1

8 8H z的超分辨率图像重建.全新的时间分辨率和空间分辨率使得我 们可以在囊泡分泌过程中观测到新的中间态, 观察到了囊泡靠近细胞膜的过程, 以及之后的分泌小 孔进一步扩大的过程这两个囊泡分泌过程中中间状态.使用基于海森正则项的结构光照明显微 镜, 我们可以在活细胞中观测到清晰的线粒体嵴.以及嵴结构在线粒体融合, 线粒体分裂过程中的 动态活动, 甚至是单个没有发生融合或者分裂的线粒体内的嵴的融合的过程. [ 关键词] 海森结构光照明显微镜;

时间分辨率;

成像时长;

光漂白 与数学以及物理等理科学科不同, 生物医学研 究是以实验科学为主. 眼见为实 , 实时观察生物 体内活细胞的精细结构及其动态变化, 一直以来都 是生物 医学研究的重要内容.自从1665年罗伯特?胡克发明显微镜以来, 显微镜一直是生物医学 工作者最重要的工具之一.三个多世纪以来, 尽管 光学显微成像技术从普通的宽场显微镜发展到荧光 显微镜以及进一步发展的激光共聚焦显微镜、 双光 子显微镜等不同模式, 日新月异, 稳步发展, 但是其 分辨率始终局限于2

0 0n m 左右的衍射极限[ 1] .2

1 世纪的第一个1 0年见证了荧光成像领域的迅猛发 展和深刻革命, 不同领域的科学家努力协作, 发展出 新型光学分子探针和崭新的光学成像模式, 将光学 显微镜的分辨率推进到纳米水平, 出现了超高分辨 率显微镜[

27 ] .对超高分辨率显微镜有重要贡献的 埃里克?贝齐格、 斯特凡?黑尔和威廉?莫纳也于

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1 4年共同获得诺贝尔化学奖. 根据原理可以将超高分辨率显微镜主要分为以 下三大类: 基于光激活/光转换荧光分子的单分子定 位超分辨率显微镜[ 2,

3 ] ;

基于抑制点扩散函数中心 点之外的地方发出荧光从而提高分辨率的受激辐射 超分辨率显微镜[