张奇伟清华清华张奇伟课题组等为超分辨显微技术引入偏振新维度

2017-09-19

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文章简介：清华新闻网11月17日电近日,清华信息国家实验室的张奇伟教授课题组及北京大学.澳大利亚悉尼科技大学的合作者,共同提出了一种新的基于偏振反解调的超分辨偶极子取向

清华新闻网11月17日电近日,清华信息国家实验室的张奇伟教授课题组及北京大学、澳大利亚悉尼科技大学的合作者,共同提出了一种新的基于偏振反解调的超分辨偶极子取向解析技术(Super-Resolution Dipole Orientation Mapping via Polarization Demodulation),不仅为超分辨提供了一种全新的维度,而且为本领域近期的一个热点争论提供了解答。

这一工作于2016年10月21日发表在自然出版集团(Nature)旗下的《光:科学与应用》期刊(Light:Science & Application,影响因子13.

6),并在10月31日被《自然方法》(Nature Methods)作为研究亮点(Research Highlights)进行报道,同时该工作荣登科学网论文频道一周(10月31日至11月6日)最受关注论文的排行榜冠军。

荧光的偏振特性(Fluorescence Polarization)早在1926年就被发现。在超分辨成像中,荧光的其他特性如强度、光谱、荧光寿命等均有很好的应用,然而对于荧光偶极子的方向(偏振)则很少关注。

2014年,德国马普所瓦拉(Walla)课题组在《自然方法》上发表文章,通过对激光进行偏振调制实现稀疏重构的超分辨成像。但2016年初,德国科学家凯勒(Keller)等在《自然方法》发表针对上述研究的评论,对此提出质疑,表示利用荧光偏振不能获得进一步的超分辨。

瓦拉课题组从宽场的角度论证,偏振调制带来的周期性变化的信号差异,可以区分衍射极限水平下无法分开的点,说明偏振对超分辨的获取确实起到了作用。

然而,由于瓦拉课题组和凯勒课题组都从传统的荧光强度来看待这一问题,偏振调制对超分辨能力的提升是否有效以及如何提供更多信息,依然没有定论。清华大学张奇伟教授课题组及其合作者发现,荧光偏振性是否对超分辨成像有提升,关键在于能否解析出超分辨偶极子取向信息,因此从荧光强度和荧光各向异性来考虑,解析出超分辨荧光偶极子取向,并提出了一种叫SDOM(Super-resolution Dipole Orientation Mapping,图1)的新的超分辨技术,从而很好地回答了这一争论。

偶极子受到偏振激发释放出余弦周期信号,在显微成像过程受到衍射作用和相机采样误差的影响。事实上,光学显微成像是一个以点扩散函数为核的卷积和泊松采样的过程,进一步考虑短时间内恒定噪声的因素,张奇伟教授课题组及其合作者完成了成像的统计建模。

基于相机采集的光子数信息,估计荧光分子的位置和强度。课题组采取贝叶斯估计的思路,利用极大后验将图像重构过程转化为稀疏约束的凸优化问题。快速迭代收敛阈值算法实现了优化模型求解,使得偏振调制信号得到恢复。对恢复信号进行三角函数拟合提取出超衍射极限的偶极子取向,最终在实现强度超分辨重建的基础上实现了角度超分辨信息的解析,拓宽了超分辨成像的认知视角。

为进一步展示该方法的有效性,研究者把该技术首先应用在哺乳动物细胞的actin(肌动蛋白)成像中,超分辨偶极子取向信息提供了更多的结构细节。之后,作者将该技术应用于活体酵母细胞中的septin(氯苄乙胺)蛋白成像观测,同样得到了更加精细的结构信息。

由于基因组三维结构目前在世界上掀起一轮新的研究热潮,同时也是张奇伟课题组的重点研究方向,而且NPC(核孔复合体)对于染色体在细胞核内的定位及基因组的三维结构也非常重要。

基于此考虑,研究者也利用该技术对NPC进行了SDOM成像,得到了核孔的第一张偏振超分辨图像。综合看,SDOM对超分辨水平下偶极子取向的解析非常有效,对活细胞结构动力学的研究有良好的应用前景。