这里我们将介绍发明的三种活细胞超分辨率成像方法。第一是用于活细胞长期超分辨成像的海森结构光超分辨率显微镜。我们提出生命活动信号的时空连续性是生物荧光图像的通用先验知识，开发了基于Hessian矩阵（Hessian-SIM）的结构化照明显微成像的解卷积算法。在低信号强度下获得伪影最小化的SR图像，所使用的光子剂量不到传统结构光超分辨率显微镜的十分之一。海森结构光超分辨率显微镜提高成像速度，降低光漂白，解决了领域内如何将超高分辨率显微镜真正应用于细胞生物学动态研究这个关键问题。利用该显微镜，第一次在活细胞中辨识出来胰岛素囊泡融合时发生的分泌孔道，并观察到线粒体内嵴的动态变化, 实现活细胞中一小时的长时间超分辨率成像。

受到单位时间内最大收集光子通量的限制，活细胞超分辨率成像的时间和空间分辨率相互排斥。如何进一步提高活细胞超分辨率显微镜的空间分辨率是领域内的关键问题。我们再次提出荧光显微镜的空间分辨率越高意味着结构越稀疏的概念。利用这个通用先验知识，我们开发了一种稀疏解卷积算法，在相同的光子预算下将超分辨率显微镜的空间分辨率进一步扩大了近两倍。因此，稀疏结构光照明显微镜（Sparse-SIM）在564赫兹的帧速率下实现了~60纳米的分辨率，使其能够解析活细胞上的精细结构动态变化，包括60纳米囊泡融合孔、小到60纳米的核孔复合物蛋白形成的环形核孔以及线粒体内外膜的相对运动。同样，稀疏解卷积可以用来提高基于旋转盘共聚焦的SIM（SD-SIM）的三维分辨率和对比度，实现常规的四色、三维、~90纳米分辨率的活细胞超分辨率成像，并提高STED和微型化双光子显微镜等的空间分辨率。因此，稀疏解卷积方法首次实现计算超分辨率成像，也是推动现有活细胞荧光显微镜的时空分辨率极限的通用工具。

第三项技术是荧光-无标记相位双模态超分辨率显微镜。将无标记的光学散射断层扫描技术和海森结构光荧光超高分辨率显微镜的结合，我们将这个显微镜命名为SR-FACT (Super-Resolution Fluorescence Assisted diffraction Computation Tomography)。应用这个显微镜，我们无需标记解析活细胞内的线粒体、脂滴、核膜、染色体、管状内质网和溶酶体等细胞器，并给出细胞内各种细胞器互作的全景图。另外，我们首次观察到哺乳动物细胞上普遍存在一种新细胞器-黑色液泡小体，参与从内含体到溶酶体的囊泡转运过程，在细胞衰老的过程中起重要作用。这些工作证明了SR-FACT的独特能力，也表明它在细胞生物学中的广泛适用性。

报告人简历

陈良怡，北京大学博雅特聘教授。于西安交通大学获生物医学工程学士，华中科技大学获生物电子学硕士、生物医学工程博士学位，获得国家自然科学基金委优秀青年基金和杰出青年基金资助。围绕着糖尿病发病过程中胰岛素分泌异常机制这个关键科学问题，研究活体组织层次上的血糖调控紊乱、细胞层次上的细胞功能异常和分子层次上代谢如何调控囊泡分泌这三个具体问题，发展了一系列的高时空分辨率生物医学成像的可视化手段，包括1）发明了高分辨率微型化双光子显微镜，首次在自由行为小鼠上观察到单个神经突触的形态和功能变化，工作入选了“2017年中国科学十大进展”等，也入选“Nature Methods: Method of the Year 2018”；发明高分辨率双光子光片显微镜，首次在斑马鱼在体观察到单个胰岛beta细胞的活动，工作被Nature Reviews Endocrinology 等杂志亮点评述；发明了二维超分辨率成像的海森结构光显微镜，首次看见活细胞内线粒体内嵴以及胰岛素囊泡融合孔道，入选 “2018年中国光学十大进展”；发明了Z方向超分辨率成像的变角全内反射成像，首次看见胰岛beta细胞内由网格蛋白内吞小泡快速运动所介导的胞吞过程；首次提出并发明了活细胞双模态超分辨率显微镜，命名为超分辨荧光辅助衍射层析显微镜，并观察到细胞器互作全景图和新细胞器黑色液泡小体；最近其课题组又发明稀疏解卷积算法，能够通过计算的方法通用提升荧光显微镜的物理分辨率极限。