在每秒鐘得到188張超高分辨率圖像時(shí)，海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡的空間分辨率可以達(dá)到85納米，能夠分辨單根頭發(fā)的1/600到1/800大小結(jié)構(gòu)，而所需要的光照度小于常用的共聚焦顯微鏡光照度三個(gè)數(shù)量級(jí)。由于極低的光漂白以及光毒性，實(shí)現(xiàn)了100 Hz超高分辨率成像下連續(xù)采樣10分鐘得到18萬(wàn)張超高分辨率圖像，或者是在1Hz超高分辨率成像下連續(xù)1小時(shí)超高分辨率成像基本無(wú)光漂白。
 

　　與獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的受激輻射損耗超高分辨率顯微鏡(STED)相比，海森結(jié)構(gòu)光顯微成像以極高的時(shí)間分辨率、極低的光毒性在活細(xì)胞超高分辨率成像方面占顯著優(yōu)勢(shì)。例如，在觀察細(xì)胞內(nèi)囊泡與細(xì)胞質(zhì)膜融合釋放神經(jīng)遞質(zhì)和激素過(guò)程中，海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡與STED顯微鏡(分辨率60納米，每秒5幅左右；巫凌鋼實(shí)驗(yàn)室2018年3月Cell上線的文章)都可以觀察到囊泡融合形成的孔道；但是，海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡還解析出囊泡融合時(shí)四個(gè)不同中間態(tài)，包括囊泡打開(kāi)3納米小孔、囊泡塌陷、融合孔道維持和最后的囊泡與細(xì)胞質(zhì)膜完全融合的過(guò)程，真正可視化膜孔道形成的全過(guò)程(圖1)。
 

 

　　圖1 海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡解析囊泡融合孔道形成全過(guò)程。上圖：實(shí)際的動(dòng)態(tài)過(guò)程解析；下圖：由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的囊泡融合的四個(gè)中間態(tài)。
 

　　此外，應(yīng)用海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡，研究人員也實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞“能量工廠”線粒體的超快超分辨成像，首次在活細(xì)胞中解析線粒體融合、分裂時(shí)內(nèi)嵴的活動(dòng)，以及線粒體內(nèi)嵴自身的重組裝過(guò)程，也能夠觀察活細(xì)胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體發(fā)生相互作用時(shí)的動(dòng)態(tài)變化(圖2)。這是之前領(lǐng)域內(nèi)無(wú)論是使用STED還是PALM/STORM超分辨率顯微鏡都無(wú)法觀察到的現(xiàn)象，也凸顯出超靈敏海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡對(duì)于觀察光毒性敏感的細(xì)胞器如線粒體動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
 

 

　　圖2 海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡顯微鏡下觀察到COS-7細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程，藍(lán)色的線粒體用MitoTracker Green標(biāo)記，可以清楚辨識(shí)內(nèi)嵴結(jié)構(gòu)；品紅色的是用SEC61-mCherry標(biāo)記內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
 

　　此項(xiàng)突破一方面是基于硬件自主設(shè)計(jì)的新偏振旋轉(zhuǎn)玻片陣列、高精度的時(shí)序控制程序以及高數(shù)值孔徑物鏡的應(yīng)用；另一方面是創(chuàng)新的重構(gòu)算法，借鑒了人眼區(qū)分信號(hào)和噪聲的機(jī)制，首次提出將生物樣本在多維時(shí)空上連續(xù)，而噪聲是完全隨機(jī)分布的先驗(yàn)知識(shí)用于構(gòu)建海森矩陣，指導(dǎo)超高分辨率熒光圖像的重建。
 

　　超靈敏海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡是目前成像時(shí)間最長(zhǎng)、時(shí)間分辨率最高的超高分辨率顯微鏡，適用于各種細(xì)胞、不同探針的熒光成像?？梢哉f(shuō)，所有應(yīng)用點(diǎn)掃描共聚焦顯微鏡的場(chǎng)景都可以使用海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。
 

　　該論文的第一作者為北京大學(xué)黃小帥、華中科技大學(xué)范駿超和北京大學(xué)李柳菊，通訊作者為北京大學(xué)陳良怡、華中科技大學(xué)譚山。工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重大儀器研制基金、重大研究計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金、重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和北京市自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。陳良怡、黃小帥等主創(chuàng)成員參與了早先發(fā)表于Nature Methods的高分辨率微型化雙光子顯微鏡的研制，榮獲2017年中國(guó)十大科學(xué)進(jìn)展等榮譽(yù)。未來(lái)，他們將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微型化海森結(jié)構(gòu)光的顯微在體成像。
 

　　與受激輻射損耗超高分辨率顯微鏡(STED)相比，海森結(jié)構(gòu)光顯微成像以極高的時(shí)間分辨率、極低的光毒性在活細(xì)胞超高分辨率成像方面占顯著優(yōu)勢(shì)超靈敏海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡，是目前成像時(shí)間最長(zhǎng)、時(shí)間分辨率最高的超高分辨率顯微鏡，適用于各種細(xì)胞、不同探針的熒光成像。該項(xiàng)研究對(duì)吼需研究開(kāi)展以及前景應(yīng)用方面具有重大意義。