光场显微镜🔬(LFM)及其变体技术显著推动了活体高速三维成像的发展。然而，由于现有重建方法在处理速度、保真度与泛化能力间的权衡限制，其实际应用仍受制约。本文提出物理驱动的自监督重建网络(SeReNet)，适用于非扫描LFM与扫描LFM(sLFM)，在毫秒级处理速度下实现近衍射极限分辨率。SeReNet利用四维信息先验，不仅比现有深度学习方法（尤其在强噪声、光学像差和样本运动等挑战条件下）具有更优的泛化能力，且处理速度较迭代层析提升700倍。通过微调可进一步优化轴向性能（作为可选模块，但会轻微降低泛化能力）。作者团队通过对活细胞、斑马鱼胚胎/幼体、秀丽隐杆线虫和小鼠的成像验证了这些优势。搭载SeReNet的sLFM现可实现长达数日的连续高速三维亚细胞成像，捕获超过30万个体积的大规模细胞间动力学过程（如免疫反应与神经活动），为广泛生物医学应用铺平道路。
4D多角度光场图像（空间x-y，角度u-v）到3D体积（空间x-y-z）的直接映射是病态问题（图1a），因测量像素数少于重建体素数。先前基于数据先验的监督方法易陷入局部最优，导致泛化能力差。该问题在复杂成像环境中尤为突出（因训练/测试数据的成像形成过程差异大）。相比之下，结合数字自适应光学(DAO)的迭代层析充分利用sLFM的4D测量提供的高维自由度，通过精确描述4D成像形成过程实现高保真重建（但迭代更新计算成本高）。此外，成像系统未捕获的未知信息可通过PSF先验在前向投影中滤除（不依赖大量数据先验）。基于此，SeReNet在自监督神经网络中利用4D空间-角度成像形成先验，无需训练数据对即可在毫秒级处理速度下实现高性能（图1b,c）
如图2，为系统评估SeReNet在复杂成像环境中的鲁棒性，研究团队通过四组关键实验进行量化验证：在噪声鲁棒性测试中，模拟线粒体标记的L929细胞在混合泊松-高斯噪声下的重建表明，NLL-MPG损失函数较传统L1损失显著提升信噪比（中心视图PSNR 35 dB vs 29 dB），多尺度结构相似性(MS-SSIM)分析进一步证实，SeReNet在极低光子条件下以0.92的MS-SSIM值显著超越迭代层析、VCD-Net和HyLFM-Net；运动校正实验中，针对人工诱导的非刚性运动，TW-Net生成的空间权重系数图实现了局部自适应补偿，使重建PSNR提升至33 dB（传统时间加权算法仅29 dB）；像差容限测试显示，当样本被RMS=1λ的像差波前污染时，preDAO模块精确估计泽尼克模式振幅，将严重像差下(RMS=2λ)的MS-SSIM维持在0.85；跨样本泛化能力验证中，基于合成数据集"bubtub"训练的模型迁移至鼠尾自发荧光、油菜花切片等真实生物结构时，SeReNet仍保持0.92 MS-SSIM，显著优于监督网络的0.75(VCD-Net)和0.68(HyLFM-Net)。
如图3，研究团队在三种模式生物中验证SeReNet的活体亚细胞动态解析能力：斑马鱼胚胎实验中，SeReNet以220 nm横向分辨率清晰捕捉~1 μm迁移体的形成过程（迭代层析出现轴向拖尾），迁移体边缘的归一化强度分布半峰宽较迭代层析窄60%；盘基网柄菌成像显示，TW-Net成功消除高速迁移导致的条纹伪影（伪影区域强度降低80%），实现49个细胞的1260秒连续追踪，并精确解析直径~0.9 μm的细胞外囊泡(EV)生成事件，其强度分布标准差较迭代层析降低2.3倍；在线虫NeuroPAL全脑神经成像中，SeReNet以1.6 μm轴向间距解析腹神经索中紧密排列的4个神经元(AS9/DD5/VD10/VA10)，神经元GCaMP6s的ΔF/F₀信号标准差降至0.08（迭代层析为0.16），信噪比提升200%。
如图4，通过建立小鼠肝损伤模型，研究团队利用SeReNet揭示免疫细胞亚尺度互作机制：在肝缺血再灌注损伤(LIRI)模型中，损伤24小时后中性粒细胞数量增至野生型2.5倍(p=5.89×10⁻³)，SeReNet捕捉到库普弗细胞(KC)通过动态伸长的收缩纤维（15分钟内从10 μm延伸至40 μm）向中性粒细胞传递迁移体，并记录中性粒细胞沿3.5 μm长纤维向KC递送迁移体的过程（耗时60分钟）；在药物性肝损伤(AILF)模型中，CD63+内皮细胞数量增加3.2倍(p=1.17×10⁻²)，其表面标志物直径~2.1 μm，SeReNet以0.06 μm/s时空精度解析单核细胞趋化运动，明确其在46.5分钟时与CD63+内皮细胞发生黏附（细胞间距<5 μm）。
如图5，研究团队通过斑马鱼幼体炎症反应模型验证SeReNet的高通量处理能力：系统以每秒1体积速率连续采集48小时，获得345600个体积的72 TB数据，SeReNet在5天内完成重建（等效速度较迭代层析提升700倍）；CellPose算法在重建体积中识别出124个细胞/帧（迭代层析仅40个/帧，p=1.07×10⁻¹⁵¹），定量分析揭示损伤后中性粒细胞数量增长速率达2倍（巨噬细胞1.5倍），迁移速度提升至0.08 μm/s（非损伤组0.03 μm/s），细胞邻近距离从120 μm压缩至40 μm(p<10⁻¹⁵⁴)，首次实现两日内免疫细胞迁移轨迹的全尺度动力学建模。
科学技术的发展离不开科研仪器的进步。凯视迈（KathMatic）自2014年创建以来，一直“致力于高精尖光学测量技术”，已成为集“研发、制造、销售”为一体的国产高端光学精密测量仪器新力量。推出了KC系列多功能精密测量显微镜🔬、KS系列超景深3D数码显微镜🔬以及KV系列激光多普勒测振系统，取得了良好的市场成绩。详情欢迎留言咨询!
