新型显微镜看透2.4毫米活组织

看得更深、更清、更快，是生命科学研究的永恒追求。从神经元的复杂网络到线粒体的瞬息动态，每一个生命过程都在三维空间中上演。然而，传统成像技术往往需要在成像深度、速度、分辨率之间做出取舍。近日，西安交通大学教授雷铭团队设计的高信噪比光学切片结构光显微系统，如同为显微镜装上“智能降噪器”，让结构光显微镜既能穿透毫米级厚组织，又能捕捉细胞器级的精细动态。研究成果发表在《创新》上。

观察一个完整的器官，比如老鼠的大脑，看里面的神经元是如何连接成网的。传统的显微镜往往只能看薄薄的切片，想看厚一点的样本，光线就会被散射和吸收，图像变得模糊不清，就像隔着毛玻璃看东西。

组织透明化的小鼠脑切片中神经与神经元的三维图像。西安交通大学供图

为了看清活体组织内部的3D结构，科学家们开发了各种显微技术。在众多技术中，有一种叫光学切片结构光照明显微镜（Optical Sectioning Structured Illumination Microscopy, OS-SIM）的方法具有综合性优势。但它有一个致命伤：看不了厚组织。OS-SIM一度被认为只适合看20微米以下的薄样本。

如何在保持OS-SIM高速、低毒优势的同时，突破厚组织带来的信噪比瓶颈，实现更深、更清晰的3D成像？针对这个难题，团队开发了一套全新的策略——“HT-SHiLo”。它不像传统方法那样“硬啃”那些已经变模糊的条纹信息，而是采取了一套“组合拳”。

它从两张带条纹的图像中提取可靠的、包含结构轮廓的低频信息；同时，从常规的宽场图像中提取精细的边缘细节。把这两者巧妙地融合，就得到了一幅既清晰又干净的光切片图像。

令人惊喜的是，这项技术能将图像的信噪比提升约10分贝，成像深度直接翻倍。用它观察经过透明化处理的老鼠大脑，穿透深度能达到惊人的2.4毫米。无论是小鼠脑中密密麻麻的神经元、果蝇大脑里调控昼夜节律的时钟神经元，还是人类结肠类器官的精细结构，都展现出了前所未有的清晰度。更重要的是，它依然保持着OS-SIM“温柔”的本色。使用极低的光照，他们成功记录下了活细胞中线粒体长达5分钟的3D动态变化（包括融合与分裂），以及迁移体——一种在细胞迁移过程中产生的新细胞器，长达80分钟的生长和脱落全过程。

目前，该技术已在小鼠脑组织、果蝇神经、人类类器官、活细胞线粒体和迁移体等多种生物样本中得到验证，展现出广泛的适用性。使用该技术，生物学研究者可以用更快的速度、更低的成本、更保护样本的方式，去探索那些以往难以触及的领域，比如完整器官内的神经网络连接、肿瘤组织深处的微环境、以及发育过程中细胞群的协同行为。