勇于冒险 甘于艰苦 乐于和谐

       近日，国家自然科学基金委员会公布了2022年集中接收申请项目的评审结果。437ccm必赢国际2022年共获批12项，资助总额达1027万元。其中包括重点项目2项、面上项目7项、青年科学基金项目3项，项目数量和获批经费较2021年有大幅提升。        本次获批的两个重点项目为：器官共形适配的生物检测系统和活体深层脑组织近红外二区超分辨成像研究。        国家自然科学基金作为国家支持科学研究的主要渠道之一，是我国基础研究的重要资金来源，对推动科技创新、医疗进步和人才培养发挥了巨大的作用，各单位获批基金项目的数量和经费额度也在一定程度上反映了该单位的研究水平和科研实力。        一直以来，437ccm必赢国际不断面向生命医学前沿、面向人类健康重大需求，充分开展跨学科交叉研究，不断深化学科布局，高度重视国家级、省部级等纵向课题申报工作，高水平课题立项数量多年来保持了稳中有增的良好态势。        基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的总机关。未来，南科大生医工系将持续加强各类各级项目孵化和培育，力争实现新增长、新突破！

        近日，437ccm必赢国际副教授肖凯团队在“仿生多尺度离子基神经拟态器件”领域取得多项研究成果，相关论文相继在Nature Communications, CCS Chemistry, Advanced Science, ACS Nano等期刊发表。          智能生命中信号的产生和处理是通过纳米尺寸的离子通道控制离子传输，在微米尺寸的神经元上产生动作单位，进而在宏观神经网络中实现信号传递和信息存贮。智能生命的语言是“离子”，而人工智能的语言是“电子”。为了构筑高通量、低能耗的新型人工智能体系，突破智能生命和人工智能信息交流的壁垒，需要向智能生命学习，通过仿生的手段构筑仿生纳米通道，探究限域纳米空间内可控离子传输的机制；构筑基于离子传输的仿生神经元，实现动作电位的产生及传导；构筑离子基神经网络，实现类生命体的信号传递和信息存贮；这一系列过程构成了“仿生多尺度离子基神经拟态器件”的基础。肖凯课题组自2021年9月成立以来，围绕该主题取得了一系列进展。 图1. 具有多尺度的碳基纳米流体及离子二极管性质        智能生命体具有单向的离子传输性质（离子二极管），从而实现神经细胞动作电位的产生、细胞渗透压控制等一系列生命活动过程。肖凯课题组通过构筑碳基非对称仿生离子通道，打破现有“硅+电子”二极管构筑模式，实现了类生命体蛋白质通道的“碳+离子”模式二极管性质，为构筑离子基逻辑电路打下了良好的基础，并衍生出离子基晶体管、离子基仿生神经元等一系列课题组正在顺利推进的工作。相关研究成果以“Unidirectional ion transport in nanoporous carbon membranes with a hierarchical pore architecture” 为题目在Nature Communications上发表。        离子泵是智能生命体独特的功能，通过消耗外部能源实现离子的逆浓度梯度输运，是光合作用、能量货币ATP合成、动作电位的产生等智能生命重要生理活动的基础。如何通过仿生的手段构筑类生命体的仿生离子泵可为实现离子型光电能源转换、神经信号调控等多种器件的制备及技术的突破打下良好的基础。肖凯课题组前期通过构筑基于半导体材料的纳米流控体系，实现了一系列仿生离子泵功能和应用（Nat. Commun. 2019, 10, 74；Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwaa231.）。近期，课题组提出通过在纳米流体中引入非对称元素可以实现仿生离子泵的构筑，如对于研究最多的仿生光驱动离子泵，可分别通过非对称的光电效应、光热效应和光化学反应实现光驱动离子泵的构筑（CCS Chemistry, 2022, 4, 54-65; ACS Nano, 2022, accepted）。 图2. 基于离子传输可以实现基于电子传输的所有能源和传感过程        近年来随着人工智能的崛起及对生物智能的深入了解，人们发现基于电子传输的各类器件在实现人机交互过程中具有很大的局限性，通过向智能生命学习，构筑基于离子传输的各类能源器件和传感器件可为发展下一代脑机界面，实现无障碍的人机交互打下良好的基础。该研究主题涉及化学、材料、器件、生物等多学科交叉领域。近期，肖凯课题组受邀针对如何通过离子传输构筑纳米离子学器件，进而实现纳米电子学器件不能满足的功能，发表了一系列展望和总结（Adv. Sci. 2022, 2200534；Adv. Mater. Technol. 2022, 2200205.）。该系列文章指出，通过向智能生命学习，借助多种微纳米加工手段实现纳米离子学器件的构筑，探索离子在限域纳米空间内的传输性质，可实现纳米电子学能实现的诸多功能。同时，该系列文章分析并对比了基于离子和基于电子各类器件的优缺点，并预测基于离子传输的仿生纳米离子学器件将是继纳米电子学器件的又一研究热点。        以上研究论文，南科大均为论文第一单位，肖凯为论文通讯作者，肖凯课题组博士后张建瑞、李天明，博士研究生张红杰、科研助理梅婷婷等为论文第一作者。        以上课题的开展和完成得到了国家自然科学基金优秀青年（海外）项目、广东省先进生物材料重点实验室和南方科技大学启动经费的大力支持。   论文链接： 1. https://www.nature.com/articles/s41467-021-24947-3  2.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202200534  3.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202200205  4.https://www.chinesechemsoc.org/doi/full/10.31635/ccschem.021.202101297   

       2022年7月9日，由中国生物工程学会合成生物学分会主办的中国首届合成生物学竞赛-创新赛（以下简称竞赛）在深圳理工大学（筹）明珠校区成功举办。竞赛旨在为青年学生提供一个交流学习、创新、创智、创造的平台，为合成生物学、生命科学、交叉学科培养后备生力军。本次活动吸引了来自全国21所高校共27支队伍参赛，线上线下超220万人次观赛。        南方科技大学参赛团队SUSTech_Shenzhen_HCL是由437ccm必赢国际何俊龙老师担任PI，陈君与陈心怡担任指导老师，虞立卿、石松林、王叶晗三位同学担任领队，包括来自不同专业的龚颖璇、王纤纤、王逸杰、门司琦、雷鸿楸、刘佳怡、江南飞、莫轩丞等共14位师生组成的多学科交叉团队。在本次大赛中，本团队勇创佳绩，获评金奖与最佳网站奖。        霍乱是一种由霍乱弧菌感染引起的急性腹泻传染病，严重时可使患者脱水致死。霍乱的病情离不开肠道菌群的失调，因此对肠道菌群进行调节可以作为治疗霍乱的一种方法。SUSTech_Shenzhen_HCL团队以乳酸杆菌和大肠杆菌为载体，利用基因工程技术，利用细菌之间的群体效应，开发了一套可以预防和治疗的益生菌系统。        前往参加最终线下决赛的团队成员在比赛现场的各个阶段都有着出色的表现。从海报展示、答辩讲演、到展示项目的过程中，小组成员们始终积极地与在场评委专家以及来自不同学校的优秀参赛队员交流、学习。     采写丨王逸杰 编辑丨肖然 审核丨王丹

       近日，437ccm必赢国际张明明助理教授课题组的论文”Human-Exoskeleton Misalignment Reduction on Knee Joint via an RPR Mechanism-Based Device”被IEEE International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics，ICARM 2022会议接收并获最佳会议论文提名奖（Best Conference Paper Finalist）。19级本科生戴存玺为论文第一作者，20级本科生付沛文为第二作者并参会汇报。        437ccm必赢国际2019级研究生马芮以第一作者身份向第七届实时计算与机器人国际会议（The 2022 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics）提交了论文“A New EEG-based Paradigm for Classifying Intention of Compound-Limbs Movement”，荣获本次大会的最佳学生论文（Best Student Paper Finalist）提名奖。        两篇论文均以437ccm必赢国际张明明老师为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一单位和通讯单位。        论文“Human-Exoskeleton Misalignment Reduction on Knee Joint via an RPR Mechanism-Based Device”聚焦康复助行过程中人体与助行机器人的人机关节错位，也称关节不对齐问题的解决方案。通过提出了基于RPR结构的外骨骼膝关节结构，精准测量膝关节动态轴位置，并有望采用相同结构的动力装置实现关节屈伸动作的复刻，通过仿真计算得出的预期效果为外骨骼与人体错位可以减少51%。该论文提出的解决策略新颖，计算简单、结构精简，具有较高的实现价值。        论文“A New EEG-based Paradigm for Classifying Intention of Compound-Limbs Movement”提出了一种新型基于脑电图的复合肢体运动意图检测范式，该范式更符合人类的行走姿势。时频分析表明，在运动相关的主要电极处存在较强的事件相关去同步(ERD)现象。此外，脑地形图显示，ERD不仅存在于对侧感觉运动区，还出现在中央顶叶区(腿部运动映射区)，这初步验证了区分这种模式的可能性。最终平均分类结果表明，复合肢体运动范式的准确率远高于单腿运动范式（>20%）。本研究未来结合外骨骼，有助于受试者利用自主意愿控制下肢外骨骼，提高人机交互效率。 左上：文章发出时戴存玺正在MIT进行交流；右上：付沛文参加ICARM获奖答辩；下：马芮参加IEEE RCAR会议获奖答辩     实验室简介：        张明明，新西兰奥克兰大学博士，437ccm必赢国际助理教授/博士生导师，主要研究方向包括可穿戴外骨骼机器人、触觉反馈系统、智能控制及人机交互技术，以及基于肌电/脑电信号的智能识别算法等。在过去十年里，一直致力于研制面向生活任务的智能、精准、闭环、高效的神经康复创新技术及器械，通过机器人、神经科学、生物医学工程、人工智能等学科的深度交叉融合，构建了若干具有完全自主知识产权的新型神经康复机器人系统，并将其应用于基础研究与临床应用。多次发表在IEEE TFS、TII、TIE、TASE、RAL、TNSRE、TBME、TCDS、J NEUROENG REHABIL、J BIOMECH等权威期刊和IROS等国际顶级学术会议上，共60余篇。        实验室链接：https://zhangmmlab.com/     撰写丨付沛文、马芮、戴存玺 编辑丨肖然 审核丨张明明

       7月8日上午，南科大创新创意设计学院来访437ccm必赢国际进行访问交流。设计学院院长关道文（Tom Kvan）、生医工系副系主任吴长锋等多位教师在工学院南楼722会议室进行学术座谈。        座谈由437ccm必赢国际吴长锋主持，他代表437ccm必赢国际对来访师生表示欢迎，希望此次交流能够推进双方学术合作，助力两系发展。        关道文表示，设计学涵盖多个范畴，并在材料科学、器材设计和医患交互等方面均有广阔的应用前景。期待双方在可穿戴设备设计与交互设计等领域，结合437ccm必赢国际研究优势，进一步深化细化学术合作，共同谱写发展新篇章。        会上，设计学院与生医工系的到场师生逐一介绍了自己的科研领域与潜在合作意向，并初步探讨合作方案的可行性。在教学方面，鼓励双方学生互选对方开设的课程，形成教学模式互补。        双方表示，今后将继续推进两系的常态化互动，促进更多教学科研交流，助力我校教研水平再上新台阶。     采写：肖然、罗睿田

       2022年6月27日，西安交通大学电子系李峰教授做客南科大第241期生物医学工程讲堂，为师生带来了题为“光学微腔中的光子偏振调控”的精彩讲座。讲座由我校437ccm必赢国际金大勇教授主持。        李峰教授是西安交通大学电信学部宽禁带半导体与量子器件研究所副所长，2008年至2017年先后在加拿大麦吉尔大学、法国国家科研中心、英国谢菲尔德大学学习和工作，入选国家级青年人才项目。主要研究方向为光学微腔及光学微纳结构中的光与物质相互作用、自旋轨道耦合、拓扑、量子效应及其应用等。在国际顶级期刊Physical Review Letters, Nature Communications, ACS Nano, Optica 等发表学术论文多篇，主持国家自然科学基金项目两项，陕西省科技创新团队带头人。        在讲座中，李峰教授为大家讲述了微腔中激子极化激元的基本概念及其自旋光子学相关研究概况，重点介绍了在此研究领域的一系列工作，包括圆形势阱中极化激元凝聚的自旋涡旋态、微腔与偏振各向异性激子材料相结合产生的宏观旋光性，以及在此基础上观测到的非平庸拓扑能谷、极化激元能带上的非厄米奇异点与发散量子度规等有趣现象。        李峰教授还介绍了可调谐开放式光学微腔的结构与应用、稀土掺杂微纳米晶体的偏振辐射特征及其物理机制，以及将稀土离子与微腔集成进行偏振态和相干度调控的构想。   采写：李朋、敖牧羊 编辑：肖然

       2022年6月27日，应437ccm必赢国际邀请，南京大学化学化工学院副教授、博士生导师，康斌教授做客第240期南科大生物医学工程讲堂，为我校师生带来了题为“SPASER纳米激光探针和细胞热动力学测量”的精彩讲座。讲座由金大勇讲席教授主持。        康斌教授2011年获南京航空航天大学-佐治亚理工学院联合培养博士学位，之后在佐治亚理工学院激光动力学实验室从事博士后研究，并与2015年起在南京大学工作。研究兴趣为发展高时空分辨的成像测量方法、技术及仪器装置，诠释微纳化学系统及生物系统中的基本传质、传电及传能过程及其动力学。在Science Advance、Chem、JACS、Angew Chem等发表论文60余篇。        在讲座中，康斌教授从荧光探针的串扰问题出发，引入讲座的第一部分，基于表面等离激元受激辐射放大（SPASER）现象的“纳米激光”探针的基本概念和发展历程。深入介绍了SPASER纳米颗粒目前面临的关键问题和学术争议，以及其实验室在相关问题和生物应用的研究工作。        康斌教授还重点介绍了其课题组测量单细胞内部热量传递和耗散的工作，利用新型探针和瞬态光学成像技术，国际上首次测得了不同种类温血和冷血动物细胞、以及正常细胞和癌细胞内的热耗散及其差异性。发现温血动物细胞可根据环境温度变化调节热耗散以维持细胞内热量平衡，并通过细胞代谢组学分析研究了能量代谢相关的分子通路。该研究被形象地描述为“细胞出汗”现象，发表在知名期刊Chem上并被《万物》等科普杂志报道。   采写：王铭群、敖牧羊 编辑：肖然

       由于抗生素的过度使用，抗生素耐药性已成为对人类健康的严重威胁。目前，正在开发不同的抗生素来治疗耐药菌，但抗生素的开发周期很难跟上抗生素耐药性的高发。 纳米技术提供了应对耐药细菌感染的策略，不同种类的抗菌纳米材料可以在很大程度上满足不同的抗菌需求。 在这些纳米材料中，金纳米材料具有优异的抗菌功效和生物安全性，是抗生素的替代品。        基于此，437ccm必赢国际微流控-纳米医学课题组重点介绍了金纳米材料在抗菌领域的最新进展，并讨论金基纳米抗生素的发现和潜在的临床应用。相关研究成果以”Deploying Gold Nanomaterials in Combating Multi-Drug-Resistant Bacteria”为题，发表在国际著名学术期刊 ACS Nano上。 本文要点： （1）首先，通过介绍合理调整纳米材料的形貌、表面化学和组成，可以获得具有最佳和定制抗菌功效的金纳米抗生素。这些金纳米抗生素可以很好地集成到医疗器械中用于抗菌应用。 （2）其次，强调金基纳米抗生素在临床应用方面仍然存在挑战。这些纳米材料的具体抗菌作用机制和安全性有待深入研究。这个过程非常复杂，需要微生物学、免疫学、生物材料、病理学、毒理学、药理学和纳米技术的跨学科整合。尽管如此，金纳米材料在治疗细菌感染的策略中具有重要价值，我们期待进一步的研究将拓宽金纳米材料的抗菌应用领域并加速其转化为临床应用。   原文链接： Deploying Gold Nanomaterials in Combating Multi-Drug-Resistant Bacteria. ACS Nano 2022 DOI:10.1021/acsnano.2c02269 https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02269

       中风是目前造成成年人残疾的首要原因。研究表明，在卒中后的6个月内进行及时有效的康复治疗对患者恢复运动能力是至关重要的。近年来，越来越多的可穿戴外骨骼机器人走入临床，有意探索康复机器人干预下的中枢神经系统的重建和运动能力的恢复。但与此同时，可穿戴机器人缺乏对使用者运动意图认知的智能。因此，增强机器人的感知智能，提高人机交互共融性，是当前康复机器人技术面临的重要挑战。        恰当的助力时机对于执行有效的外骨骼助力，保证使用者安全性等都至关重要。现有的研究已经充分证明了表面肌电信号在识别人体运动意图的可行性。肌电信号是由肌肉收缩产生的生理电信号，其包含了与运动意图相关的直接信息；同时，肌电信号相较于肢体运动具有一定的超前性。通过解码该信号可以识别人的行为, 进而赋予外骨骼理解人的运动意图的智能，从而避免外骨骼的控制延迟。然而，基于肌电信号的意图识别方法但仍然面临以下挑战：（1）肌电幅值变化和电极偏移导致的不稳定性；（2）步态运动学预测的准确度。 B. Zhong, K. Guo, H. Yu, and M. Zhang, “Toward Gait Symmetry Enhancement via a Cable-Driven Exoskeleton Powered by Series Elastic Actuators,” IEEE Robot. Automat. Lett., vol. 7, no. 2, pp. 786-793, 2022.        张明明课题组长期以来一直致力于面向生活任务的智能、精准、闭环、高效的神经康复技术及器械的开发和研究。近期该团队提出一种基于肌电信号预测连续下肢膝关节角度的解码方法，即基于肌肉协同驱动的自适应模糊神经网络预测模型（Muscle synergy- driven ANFIS model），实现了在不同步行速度下的膝关节角度的稳定连续预测。相关论文以《A Muscle Synergy-Driven ANFIS Approach to Predict Continuous Knee Joint Movement》为题发表于国际顶级期刊IEEE Transactions on Fuzzy Systems（IF=12.029）。   图1. 膝关节角度预测算法框架          本文首先利用多生理信号采集设备和人体光学运动捕捉设备同时获取受试者在行走过程中的下肢表面肌电信号和膝关节角度信息。然后将肌电数据进行预处理和肌肉协同的提取。这样的处理将原始的数值生理信息转换成了能反应神经控制策略的特征信息，同时肌肉协同方法也具有更强的鲁棒性和更高的计算效率。进而，以肌肉协同为输入驱动ANFIS模型，对受试者连续的膝关节角度进行鲁棒预测。        通过5种不同速度的步行实验表明, 本论文提出的Muscle synergy-driven ANFIS model的预测准确度达到相关系数为0.92±0.05，相比于目前基于当通道数值特征方法，预测准确性和计算效率均有显著性提升。同时，肌肉协同作为肌肉激活度与人体运动间的桥梁， 本方法有效地建立了两者的非线性关系，提高了模型的可解释性。 图2. 步态模式膝关节角度预测结果   图3. 不同步行速度下预测准确性统计结果          南方科技大学为论文第一通讯单位，硕士研究生钟文娟、付学明为论文共同第一作者，张明明为唯一通讯作者。研究得到国家自然科学基金及广东省自然科学基金等项目的资助。        原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9735420     撰文：钟文娟 审核：张明明 编辑：肖然

       2022年6月21日下午，437ccm必赢国际与北京大学深圳医院合作交流座谈会在北大深圳医院顺利召开。北京大学深圳医院院长陈芸，副院长赵永胜，科研教学部主任石宇以及437ccm必赢国际多位教师代表出席会议。        赵永胜副院长致开场辞。赵副院长高度评价了生医工的快速高质量发展，并对437ccm必赢国际近年来的科研教学建设成果表示肯定。他希望本次座谈会能够促使双方在科研和教学方面达成初步合作意向，集中优势兵力，携手推动新时代医疗事业的高质量发展。        437ccm必赢国际教师介绍了437ccm必赢国际近年来的科研及办学成果。他们表示，南方科技大学和北京大学深圳医院均拥有深厚的历史渊源和学科交叉的背景，希望双方发挥各自优势，在学科建设、科研开发等方面加强合作，共同为实现“健康中国”目标作出更大贡献。        陈芸院长对本次交流会的举办表达肯定，并提出了签订合作协议的建议，希望双方交流能够常态化。        最后，双方参会人员进行了深入的交流探讨，达成了初步横向课题探索和共同申报纵向项目和研究生培养的合作意向。        次日，北京大学深圳医院医学创新中心办公室主任张芳婷来访437ccm必赢国际进行参观，详细了解437ccm必赢国际科研办学情况。   采写：罗睿田 校审：肖然

       单分子定位显微镜（single-molecule localization microscopy, SMLM）具有纳米级的超分辨能力，已成为结构细胞生物学研究的重要手段。其中多通道的SMLM的各种扩展应用至关重要，因为它们极大地增加了可以从样本中提取的信息量：用不同颜色的荧光团标记的蛋白质多色SMLM成像可以探测它们的空间关系和相互作用。通常使用两个光谱通道[1-3]或一个空间通道与另一个光谱检测通道相结合来实现[4]。使用两个或多个探测通道的三维(3D)SMLM技术，例如双平面[5]或多平面探测[6]、自弯曲点扩散函数[7]、超临界角度荧光探测[8,9]、多相位干涉[10,11]、多通道荧光偏振[12]等，在研究生物结构的内在三维空间组成方面发挥重要作用。        2022年6月7日，南方科技大学李依明副教授、欧洲分子生物学实验室Jonas Ries研究员课题组合作在Nature Communications上发表了题为“Global fitting for high-accuracy multi-channel single-molecule localization”的研究。提出一种基于GPU加速的多通道全局拟合算法globLoc，用于三维单分子定位，它可以从多通道单分子数据中提取最大信息，提高了双平面和4Pi-SMLM的定位精度，并改善了比率多色三维SMLM的颜色分类。        与单通道SMLM相比，多通道的数据分析相对比较复杂，因为必须把两个或多个通道结合起来才能得到额外的信息(颜色、z位置、偏振状态、干涉相位等)。传统的方法是首先在每个通道中分别拟合荧光团以提取相应的参数，然后组合从不同通道返回的参数来获得额外信息。单个荧光团在多个通道中的单独拟合不是最佳的，因为忽略了高度相关的信息(例如三维位置和光子等)。相反，如果我们使用一个全局拟合器来链接不同通道中的相关参数，这将减少拟合参数的数量，提高拟合的精度和鲁棒性，并避免不同通道中相应参数配对时引发的不确定性。因此，研究人员开发了多通道全局拟合方法globLoc，并设计了一个通用的数据分析工作流程，方便使用软件对不同通道中检测到的单分子数据进行全局拟合。其优化的分析流程包括: 生成通道之间的转换映射关系，校准全局多通道PSF，基于GPU的全局拟合器实现快速和精确定位，以及后处理程序提取额外的信息(z位置，颜色，干涉相位，偏振等)。在仿真和实验数据中，研究人员发现全局拟合能够显著提高双平面和4Pi-SMLM的定位精度以及多色SMLM的颜色分类。        以双通道为例对全局拟合分析流程(图1)进行说明。首先对盖玻片表面的荧光珠在Z方向进行扫描，并单独计算每个通道的样条PSF模型[13]，再分别用相应的样条PSF模型对每个通道进行拟合，以获得精确的荧光珠位置。从两个通道中对应的珠子位置，计算出通道之间的映射关系。然后使用三次多项式插值来对大量的荧光珠进行配准和平均，同时保持映射过程中通道之间固定的空间关系。此外，也可以使用相应的PSF模型分别对每个通道中的单分子数据进行分析，并根据拟合的坐标计算映射关系。除了使用实验型的PSF模型，还支持用高斯PSF模型进行全局拟合。在校准多通道PSF模型和不同通道之间的映射关系之后，最后进行全局拟合，使用极大似然估计(maximum likelihood estimation，MLE)联合分析多通道数据。 图1 多通道全局拟合方法的工作流程概述。 （图源：Yiming Li, et al., Nat Commun, 2022）          由于globLoc可以灵活地链接不同通道之间的参数，研究人员比较了在单独拟合，全局拟合下对链接XYZ位置和链接XYZ以及发射光子情况下的定位精度。与拟合单独通道然后对位置进行Cramer-Rao-Lower-Bound（CRLB）加权平均相比，globLoc提高了大约1.5倍的z定位精度(图2a)和更加鲁棒的参数估计。这一分辨率的提高通过参加持续举办的2016 SMLM Software Challenge得到了进一步证实，在该挑战赛中，globLoc在双平面数据上的3D定位精度比其他表现最好的算法LEAP提高了近两倍(图2b)。对训练数据集(模拟微管)，与主要的SMLM分析软件ThunderSTORM (图2c)相比，有了明显的改善。对核孔复合体(nuclear pore complex，NPC)上标记的Nup96蛋白质实验数据结果显示，globLoc相比ThunderSTORM改善更为明显，globLoc能够清晰地解析NPC的双层环状结构(图2d)。 图2 globloc用于分析双平面数据 （图源：Yiming Li, et al., Nat Commun, 2022）        globLoc不限于双通道的数据分析，研究人员利用实验4Pi-PSF模型[14]，对具有多相位干涉的4Pi-SMLM进行四通道拟合。通过使用样条插值实验PSF模型对所有四个相位图像进行全局拟合，globLoc在所有维度上都实现了定位精度逼近CRLB。并且与当前主要的分析方法相比，精度和准确性都大大提高(图3a)。在4Pi-SMLM实验数据上，对比在核孔复合体中Nup96八聚体的团簇重建结果，globLoc在所有参数链接的情况下重建出来的团簇相比于当前主要的分析方法(photometry)和不链接光子的globLoc重建的团簇更小(图3b)，更接近真实样品结构。 图3 globloc用于分析4pi-smlm数据 （图源：Yiming Li, et al., Nat Commun, 2022）        globLoc的全局拟合对具有重叠发射光谱的多种染料进行成像分析，根据在每个通道中检测到相对光子数量区分单个分子的颜色(图4a)。globLoc提高了定位光子数的准确性，从而在模拟和实验中提高了颜色分类的准确性(图4b) ，同时利用综合利用了所有检测到的光子进行定位，没有造成光子数的损失。globLoc的这些创新使得在比率分色3D SMLM(图4C)中首次对四种染料同时成像并准确地区分出四种颜色。实验验证中采用AF647、DY634、CF660C和CF680染料对单个NPC的Nup96、Nup62、Elys和WGA蛋白标记后的成像结果显示，四种颜色没有明显的串扰。研究人员对200个NPC图像进行了平均，得到了四种NPC蛋白质的平均后的结构位置，其中 Nup96 形成两个具有八聚体对称性的环，Elys形成一个大环，Nup62和WGA位于圆环的中央通道。值得注意的是，这些是荧光团的平均分布，由于抗体大小及其非随机方向可能会引起的连接错误而导致的表位的分布不同。 图4 globloc用于分析多色数据 （图源：Yiming Li, et al., Nat Commun, 2022）        为了证明globLoc在具有挑战性的样本上的表现，研究人员对线虫的联会复合体进行了比率三色3D成像(图5a)。单个的联会复合体可以在三维空间内清楚地分辨出来(图5b)。联会复合体的三种不同成分HTP-3、HIM-3和SYP-5的N端被很好地分离出来，没有明显的颜色串扰，并且这三种组分的空间排列与之前的研究非常吻合。 图5 globloc用于线虫联会复合体多色三维成像。 （图源：Yiming Li, et al., Nat Commun, 2022）          综上所述，研究人员证明了在多通道单分子定位过程中链接共享参数大大提高了定位精度，并减少了颜色分配串扰。globLoc不仅提高了定位精度，而且与单独拟合多个通道相比，还增加了拟合的鲁棒性。这一点很重要，因为信息被分成不同的通道，并且每个通道的信噪比（SNR）较差，这导致参数估计的误差很大。结果表明，globLoc可以在较大的轴向范围内精确地重建双平面和4Pi-SMLM数据，并在四种颜色同时成像时能进行准确地区分。基于深度学习的SMLM分析已被证明可以大大提高定位精度，特别是对于单分子密度较高的数据，然而，深度学习方法依赖于训练有素的网络，这些网络需要针对不同的成像条件(如不同的信噪比)进行再训练。对于多通道数据分析，由于不同的成像模式(如双平面、比率多色)需要采用不同的参数链接方案，因此情况要复杂得多。因此，基于深度学习的方法非常适合于单通道高密度单分子数据，而全局分析法将成为多通道标准密度数据分析的首选方法。   原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30719-4   参考文献： 1. Bossi, M. et al.Multicolor far-field fluorescence nanoscopy through isolated detection of distinct molecular species. Nano Lett. 8, 2463–2468 (2008). 2.Mund, M. et al.Systematic Nanoscale Analysis of Endocytosis Links Efficient Vesicle Formation to Patterned Actin Nucleation. Cell 174, 884–896 (2018). 3.Zhang, Y. et al.Nanoscale subcellular architecture revealed by multicolor three-dimensional salvaged fluorescence imaging. Nat. Methods 17, 225–231 (2020). 4.Zhang, Z., Kenny, S. J., Hauser, M., Li, W. & Xu, K. Ultrahigh-throughput single-molecule spectroscopy and spectrally resolved super-resolution microscopy. Nat. Methods 12, 935–938 (2015). 5.Juette, M. F. et al.Three-dimensional sub–100 nm resolution fluorescence microscopy of thick samples. Nat. Methods 5, 527–529 (2008). 6.Babcock, H. P. Multiplane and spectrally-resolved single molecule localization microscopy with industrial grade CMOS cameras. Sci. Rep. 8, 4–11 (2018). 7.Jia, S., Vaughan, J. C. & Zhuang, X. Isotropic three-dimensional super-resolution imaging with a self-bending point spread function. Nat. Photonics 8, 302–306 (2014). 8.Dasgupta, A. et al.Direct supercritical angle localization microscopy for nanometer 3D superresolution. Nat. Commun. 12, 1180 (2021). 9.Cabriel, C. et al.Combining 3D single molecule localization strategies for reproducible bioimaging. Nat. Commun. 10, 1–10 (2019). 10.Shtengel, G. et al.Interferometric fluorescent super-resolution microscopy resolves 3D cellular ultrastructure. Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 3125–3130 (2009). 11.Huang, F. et al.Ultra-High Resolution 3D Imaging of Whole Cells. Cell 166, 1028–1040 (2016). 12.Chen, L. et al.Advances of super-resolution fluorescence polarization microscopy and its applications in life sciences. Comput. Struct. Biotechnol. J. 18, 2209–2216 (2020). 13.Li, Y. et al. Real-time 3D single-molecule localization using experimental point spread functions. Nat. Methods 15, 367–369 (2018). 14. Li, Y. et al. Accurate 4Pi single-molecule localization using an experimental PSF model. Opt. Lett. 45, 3765 (2020).   第一作者及共同通讯作者李依明（前排中间） （照片提供自：李依明实验室） 作者简介： 李依明，2009年于上海交通大学获437ccm必赢国际学士，2010年获海德堡大学医学物理硕士，2015年获卡尔斯鲁厄理工学院博士学位（导师： Uli Nienhaus 教授）。之后获得EMBL-玛丽居里博士后奖学金，在欧洲分子生物学实验室总部和耶鲁大学任职博士后研究员和访问学者（2016-2019）。现为437ccm必赢国际副教授，博士生导师。长期致力于研究三维超高分辨显微成像技术及其生物应用，在光学仪器研发，光学理论和成像算法等方面积累了坚实的理论基础以及实验经验。迄今，以第一/通讯作者在Nature Methods、Nature Communications、Optics Letters等国际权威期刊发表多篇论文，入选“深圳市海外高层次人才B类”，并长期担任Nature Methods、 Light: Science & Applications、Optics Letters等期刊的审稿人。目前和包括来自EMBL，耶鲁大学，牛津大学和剑桥大学等多个实验室有合作关系。此外，课题组长期招收博士后、研究助理及博士/硕士研究生，有物理，光学工程、计算机、机械工程、生物医学工程、生物技术、生物化学等相关专业背景，要求具备良好的学习能力、独立工作能力和团队沟通能力。有意者请将个人简历发送至李依明副教授邮箱：liym2019@sustech.edu.cn.     撰文︱李依明、石伟 责编︱王思珍

       为促进437ccm必赢国际研究生之间的学术交流，营造浓厚的学术氛围，锻炼437ccm必赢国际研究生及博士后的科研展示能力，由437ccm必赢国际主办，437ccm必赢国际第二党支部承办的“BME学术沙龙”正式拉开帷幕。系主任蒋兴宇讲席教授，党总支书记、副系主任奚磊教授，第二党支部书记唐建波助理教授，张博副教授、刘泉影助理教授参与活动。        5月26日，该系列活动在工学院南楼813报告厅首次举办。来自不同课题组的7位同学分别进行了Normal talk、Short talk、Fire talk三个不同程度的科研口头报告。 系主任蒋兴宇讲席教授致辞        会议开始，系主任蒋兴宇致开幕词，以自身在美求学经历，鼓励437ccm必赢国际学生积极参与“BME学术沙龙”系列活动，共话科研成果以及学术感悟。 第二党支部组织委员马雨昊主持        随后，437ccm必赢国际2018级博士生王乐、2019级博士生金天,分别带来了题为《金纳米材料的抗菌新策略》、《光声显微成像技术在脑科学研究中的应用与探索》的Normal talk；2020级硕士生钟文娟、2021级硕士生过祥森、2020级硕士生叶梓元，分别带来了题为《基于肌肉协同的连续膝关节角度鲁棒预测的研究》、《应用于光学相干断层扫描的线性波数光谱仪》、《时空金字塔图卷积网络在基于fMRI的大脑解码中的应用与探索》的Short talk；2020级博士生石伟、2021级硕士生王美娟分别带来了题为《基于场相关的像差校正下深度学习网络实现高通量全细胞三维超分辨率成像》、《去细胞肝脏模型对脑动静脉畸形栓塞剂的研究》的Fire talk。 活动现场        本次研究生学术沙龙活动氛围热烈，同学们热情互动，踊跃提问，大家就遇到的各种科研问题进行了深度的分享与交流。活动将计划持续举办，致力于为437ccm必赢国际学生搭建良好的交流平台，营造出良好的学术氛围，为437ccm必赢国际科研育人工作注入新动力。   首次学术沙龙日程：   采写：肖然