“只要人类对于未知的世界还有好奇，我们追求分辨率的脚步就不会停止”这是近日在国家科技传播中心举办的以“新纪天工 开物焕彩——洞见生命力”为主题的重大科技成就发布会上，哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院李浩宇教授发出的由衷感慨。在会上发布的“活细胞超分辨显微成像技术”，将帮助人类更加深刻地洞见和认识生命的奥秘和真相。中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授、北京大学国家生物医学成像科学中心主任程和平推介说：我国科学家自主创新的活细胞超分辨显微成像技术，在硬件系统、理论算法、荧光染料方面实现了全方位系统突破，率先实现了在活细胞中进行长时程、超快速、60nm分辨率的成像能力，获得了多项有趣的科学发现，为临床诊断和药物开发提供了前所未有的、高精度的动态观测手段。
超分辨显微技术如何让“鱼与熊掌兼得”
从物理手段到化学方法，人类一步步突破显微技术的物理极限，不断解决空间分辨率不足的问题。李浩宇教授在分析超分辨显微成像技术的前景时坦言：“目前，超分辨显微成像技术逐渐趋于成熟，但是还有很长的路要走。具体来说目前超分辨技术还有光毒性过高，速度比较慢，且超分辨系统过于复杂且使用起来对生物友好性过低等问题”。超分辨技术“鱼与熊掌如何兼得？”数学给出了新的答案。李浩宇教授讲解到：数学可以帮助人类无限接近完美成像。从数学计算的角度，李教授的研究团队首次提出了稀疏解卷积的算法，进一步打破分辨率极限。通过这个方法，首次实现对活细胞状态下的核孔复合体进行成像（尺寸在60nm左右），完全记录了核孔复合体的重塑的过程。今后，这项技术将帮助生命科学探索得到更多、更加精确的真相。
图1 首次实现对活细胞状态下的核孔复合体进行成像
活细胞超分辨显微成像技术为何与众不同
活细胞超分辨显微成像技术最大的特点是速度快。李浩宇教授在发布会上举例说“一个离子通道的尺寸在60nm左右，离子通道打开和关闭时间在10个μs内就会完成，只有超快的活细胞成像技术才能捕捉到这样一个转瞬即逝的过程”。这对于研究胰岛细胞控糖机制和糖尿病防治会有很大意义。李教授还介绍了通过该项技术，完美拍摄溶酶体通过微管介导向过氧化物传递胆固醇的过程。并通过三维活细胞成像，记录细胞核、线粒体和细胞微管这三个细胞器之间的关系和它们在三维空间中的分布效果。“这是目前商用显微镜所无法比拟的”李教授说，“科学家可以通过高分辨成像，进入细胞探究细胞的各项生化反应，去探究病毒、药物对细胞的作用，以助于对于新的生命问题的发现和研讨。”
图2 实时观测三维细胞体信息
图3 首次记录细胞有丝分裂完整过程
数据驱动优化光学显微镜的时代已经到来？
“未来不只是数学的世界，未来是数据的世界，是人工智能世界” 李浩宇教授在发布会上这样说到，“数据驱动优化光学显微镜时代已悄然到来”。活细胞超分辨显微成像技术可以让细胞像虚拟现实一样来到生命科学的实验室中。例如，利用此项技术可以在3个小时之内拍摄一个细胞完整的有丝分裂的过程。这是历史上首次达到超分辨精度有丝分裂的记录，第一次完整记录了细胞分裂的整个过程和每一个细胞器所处的状态和互相作用关系。同时，大数据和人工智能技术能随时把数据转化为科学家所需的数字特征和生物信息特征。人工智能的技术特性和能力是物理、化学和数学所不能比拟的。但李教授也同时指出了，目前人工智能给出的一些结果有不可解释性和不确定性，是需要技术开发人员引起高度重视的，追求更高分辨率、更精确结果的脚步不能停止。
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