华中科技大学人工智能与自动化学院谭山教授合作取得人工智能技术应用于活细胞超分辨显微成像领域重要成果

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文章导读

无需依赖“标准答案”，AI也能看清细胞的纳米级秘密？传统显微成像依赖大量高质量“真值”图像进行训练，这在研究脆弱、高速变化的生命过程时几乎不可能。近日，一项发表于《自然·方法学》的研究带来了颠覆性突破。华中科技大学谭山教授团队与合作者，开创性地提出了一种“自监督”AI成像技术SSR-SIM。它不仅摆脱了对海量训练数据的苛刻需求，更以极低的光毒性，首次清晰捕捉到了病毒入侵、细胞器分裂、纳米管通讯等以往难以观测的微观生命动态，为活细胞研究打开了全新的视界。

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12月12日，《自然·方法学》（Nature Methods）在线发表题为“自监督重建结构照明显微术实现生物友好型高精度超分辨率成像”（Bio-friendly and high-precision super-resolution imaging through self-supervised reconstruction structured illumination microscopy）的人工智能应用最新研究成果。华科大人工智能与自动化学院博士生刘嘉浩和刘涛、清华大学膜生物学全国重点实验室助理研究员董学、中国科学院生物物理研究所博士后陆怀德、复旦大学博士后生物医学研究院刘伟为共同第一作者。华科大人工智能与自动化学院谭山教授、清华大学生命科学学院李栋教授、复旦大学生物医学研究院刘妍君教授为共同通讯作者。我校为第一完成单位。

近年来，基于深度学习的结构光照明显微镜技术在长时程超分辨活细胞成像中展现出巨大潜力，为揭示亚细胞结构的动态过程与相互作用提供强大工具。现有方法严重依赖大量高质量“真值”图像进行监督训练，这些数据在光敏感、快速变化的生命过程中极难获取，限制了该技术的普适性。此外，主流端到端神经网络往往忽视超分辨成像物理模型，导致在低信噪比条件下重建保真度与分辨率下降。

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图为SSR-SIM学习框架及神经网络架构。

谭山课题组与合作者提出自监督重建结构光照明显微术（SSR-SIM），创新性地将重建伪影的统计分析与结构光照明的物理先验深度融合，无需采集任何真值图像数据即可实现媲美有监督学习的高精度、高保真超分辨图像重建，从根本上摆脱了深度学习显微成像对于配对训练数据的依赖，并首次揭示了细胞间纳米管通讯、病毒与宿主细胞互作等光敏感和小概率生物学过程的动态变化。

团队系统分析了现有自监督算法在活细胞SIM成像中的失效原因。研究发现，SIM重建伪影具有长距离空间相关性，而活细胞快速运动导致连续时间点采集的数据间生物信号不一致，进而导致现有基于空间或时间采样的自监督方法产生高频信息复原不全，超分辨精度受限的结果。研究团队提出一种硬件层面的“信号一致成像序列”解决方案。该方案通过精确控制照明序列，同时采集两组具有相同生物信号与照明模式、但噪声相互独立的原始图像，从而满足自监督学习有效性的核心假设（信号一致、噪声独立）。团队构建全新的自监督重建损失函数，并从理论上证明，在该自监督框架下训练的模型能够实现与有监督模型相当的重建精度。

在网络设计方面，研究团队并未简单采用“黑箱”式端到端网络，而是率先开发了物理光学先验混合卷积与Transformer架构（PHCT）。该架构兼具局部特征建模的优势（卷积神经网络）与远程像素依赖关系建模的能力（Transformer模块），特别适用于大视场成像。其核心创新在于开发了物理先验引导的模式激活（PPA）模块，该模块将结构光调制的频率信息先验显式编码到网络中，显著增强了对高数值孔径下密集照明条纹的解调能力，从而能够更完整地恢复图像的高频超分辨信息。

在公开基准数据集上的系统评测表明，SSR-SIM在峰值信噪比（PSNR）、结构相似性（SSIM）等定量指标上均优于现有的非学习型、有监督及无监督学习SIM算法，且在不同荧光光子数条件下表现稳健。该方法展现出卓越的生物友好性。通过钙离子荧光指示剂监测，证实SSR-SIM成像引起的细胞应激反应与阴性对照组相当，显著低于传统SIM，为实现长时程活细胞观测提供了保障。此外，该方法所设计神经网络参数量小（最低仅0.33M），重建速度快（如处理512×512图像约17毫秒），易满足实时处理需求。集成的蒙特卡洛Dropout层还能提供模型不确定性估计，为用户评估重建结果可靠性提供依据。

凭借高时空分辨率、低光毒性和长时程成像能力，SSR-SIM成功应用于多种极具挑战性的活细胞场景中，并揭示了系列新颖生物学现象：细胞器与细胞骨架动态方面，实现了对肌动蛋白骨架持续重塑过程超过四小时、10000个时间点的超分辨成像，清晰记录线粒体嵴的分裂、融合与旋转等形态变化超过2000个时间点。蛋白质转运新机制方面，团队以超分辨精度实时观察到病毒糖蛋白（VSVG）和内质网（ER）互作，发现VSVG运动可导致内质网片层发生分裂，内质网搭便车协助VSVG转运等。内吞循环过程解析方面，团队连续记录超过1500个时间点，清晰分辨了Rab11a与转铁蛋白受体在运输过程中呈现的管状与盘状两种形态，并揭示了信号消失的先后顺序。痘类病毒传播新见解方面，对痘苗病毒诱导产生，团队以辅助其传播的肌动蛋白彗星尾进行超分辨成像，首次发现其为“中空”且常具“多尾”的复杂结构，颠覆了传统认知。细胞间通讯观测方面，对隧道纳米管（TNT）中传输的线粒体进行长达3小时以上的成像，发现线粒体在TNT中运输时仍能发生分裂事件。三维动态超分辨成像方面，拓展的SSR-3D-SIM技术能在极低光照下，对线粒体网络等进行高保真三维体成像，并记录其动态重构过程。

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图为SSR-SIM成像常见亚细胞结构。

据悉，该工作不仅从根本上解决了深度学习SIM对真值数据的依赖问题，还通过引入物理先验显著提升了重建的保真度与通用性。所提出的SSR-SIM技术将SIM技术固有的高速、低光毒性、多色兼容等优势，进一步拓展至更广泛、更敏感的活体生物样本和动态过程研究中。该技术有望成为细胞生物学、病毒学、神经科学等领域探索复杂生命过程的强大普适工具。这项研究也为计算显微成像领域的发展提供了新范式，即通过算法与物理的紧密结合，以更智能、更友好的方式揭开生命微观世界的神秘面纱。

研究得到国家自然科学基金委、科技部、腾讯“新基石”基金的资助。