北京大学开发出三角结构光照明显微镜，引领超分辨新时代！

在自然界中，三角形是最基础与最稳定的二维结构，而六边形则代表了空间最优解。然而在光学领域，传统结构光超分辨显微镜却长期依赖三条纹叠加实现“六边形式”的复杂拼合——通过旋转一维条纹三角度照明采样实现。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。相关成果以“Triangle-beam interference structured illumination microscopy”为题，发表于国际权威期刊Nature Photonics，为生命动态研究提供新利器。

亚细胞结构在空间与时间尺度上呈现复杂动态，这些动态构成了生命活动的重要基础。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。结构光超分辨技术因其能够同时兼顾时空两个维度的分辨率，从而备受活细胞生命科学研究青睐。

《道德经》有云：“道生一，一生二，二生三，三生万物”。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。在3I-SIM中，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。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1697Hz的成像帧率。

进一步地，研究团队系统分析了偏振策略对调制能力的影响，突破了常规角向偏振的框架限制，创新性地提出径向偏振策略，将高频信息的调制能力提升至与传统2D-SIM相当的水平，并结合自主研发的高鲁棒性物理重建算法，显著增强了系统的抗噪性能。

与传统2D-SIM技术相比，3I-SIM有效降低了动态观测过程中的光毒性与光漂白，并将成像帧率提升至最高1697Hz。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。

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图1. 3I-SIM的原理与成像能力表征。a. 3I-SIM 成像系统示意图。b. 传统2D-SIM双光束干涉与 3I-SIM 三角光束干涉调制模式的对比。c. 双通道染色的联会复合体成像结果，并展示宽场与超分辨成像的对照效果。d. 尼罗红标记的 COS-7 细胞成像结果，并展示宽场与超分辨成像的对照效果

3I-SIM兼具更温和且高速的活细胞细胞器成像能力。研究团队在HUVEC细胞中对肌动蛋白丝进行成像，在1Hz下连续采集超过6000帧，展现出稳定的长时程成像性能。在高速模式下，3I-SIM可实现1697Hz的滚动重建帧率，能够捕捉内质网环状结构闭合过程中的瞬时波动。依托其超高的时空分辨率，3I-SIM还可实现高质量的多色成像，揭示内质网与晚期内体/溶酶体及微管在接触、重构和动态调节过程中的精细相互作用。

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图2. 3I-SIM 实现更快速且温和的活细胞细胞器成像。a, b. 传统2D-SIM 与 3I-SIM 成像过程中不同照明模式与激发策略对荧光蛋白的光漂白程度的对比。c, d. 1697 Hz 下的ER动态成像及 ER 小环闭合过程的放大细节与轨迹。e–g. LEs/Lysos 与 ER 的相互作用，包括快速移动过程中的局部形变及“亲吻-离开”事件中 ER 小管的协同变化

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，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。

席鹏、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。席鹏课题组博士生梁谦禧，博士后陈欣和金博雅为本工作作出了重要贡献。此外，该工作还得到了北京大学未来技术学院陈知行课题组，生命科学学院郑鹏里课题组，以及北京艾锐精仪科技有限公司的重要支持和帮助。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。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01730-0