超越光子噪声极限的超灵敏荧光成像

该超灵敏成像能力表现在下列实验中：一，对清醒小鼠大脑皮层第一层（L1）树突棘尺度的神经活动进行了高信噪比的记录，清晰地揭示了蘑菇状树突棘和粗短状树突棘的形态学异质性；二，对用GCaMP6s钙探针标记的斑马鱼视顶盖（optic tectum）神经群落进行了高速的连续拍摄，以高信噪比完整揭示了神经元群落的细胞分布和时间信号；三，果蝇等低等级的模式动物对光毒性的耐受力更低，该工作使用低激发功率记录成年果蝇蘑菇体神经元的自发活动，从被噪声淹没的图像中准确恢复神经元的胞体以及神经纤维等亚细胞结构；四，对急性脑损伤后，小鼠大脑皮层中性粒细胞的迁移过程进行了高信噪比的三维记录，有效避免了光漂白、光毒性等光致损伤对免疫反应的干扰，成功观测到了炎症消除后，大批中性粒细胞从损伤位点逐渐弥散的整个三维过程；五，借助北京大学李毓龙教授实验室开发的新一代ATP荧光探针GRABATP1.0，在国际上首次实现对大脑皮层中胞外信使ATP发放过程的低功率、长时程（1小时）、三维（350×350×60 μm3）观测，并给出了关于发放位置、时间、发放点位的三维形状等量化特征的完整统计结论。

光子噪声是光学测量中绕不开的障碍。作为一种在多种模式动物、多种生命过程上均表现出强大性能的去噪技术，该实时去噪方法有望应用到更多的成像场景中，比如深层组织成像、超分辨成像、光场三维成像等，通过在数据处理的最前端有效降低光子噪声带来的不确定性，有望解决噪声带来的固有的成像难题并带来新的生命科学发现。除了荧光成像，该方法还可以扩展到相位成像、天文观测、夜视成像等其他光学成像领域。

上述研究成果于9月26日发表在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）期刊上，论文题目为“实时去噪允许超越光子噪声极限的超灵敏荧光延时成像”（Real-time denoising enables high-sensitivity fluorescence time-lapse imaging beyond the shot-noise limit）。

清华大学自动化系2018级博士生李欣阳，复旦大学信息学院2022级博士生李奕昕为该论文共同第一作者。清华大学自动化系、清华大学脑与认知科学研究院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院戴琼海教授，清华大学电子系方璐副教授，清华大学深圳国际研究生院王好谦教授为该论文共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金委、科技部、深圳科技创新项目、中国博士后创新人才项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01450-8