AOPC2025
2025年6月24-27日
北京国家会议中心（北京市朝阳区天辰东路7号）
https://b2b.csoe.org.cn/meeting/aopc2025.html
从2D到4D，显微镜如何突破时间的维度？
在生命科学领域，显微镜一直是探索微观世界的核心工具。然而，传统的显微成像技术多停留在二维静态图像或低速三维视频层面，难以捕捉细胞、微生物等动态过程的全貌。直到最近，由马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）联合研发的4D高速显微成像系统横空出世，科学家首次实现了对生物样本的四维动态追踪——即三维空间（X/Y/Z轴）叠加时间维度（T轴）。这项技术不仅将成像速度提升至每秒数千帧，还突破了光学衍射极限，为揭示生命过程的“时空密码”提供了前所未有的视角。
由杜克大学研究人员开发的反射傅立叶光场计算机断层扫描技术可以制作自由移动的小型模型生物（如斑马鱼和果蝇幼虫）的 4D 视频。
传统技术瓶颈：为何我们无法看清生命的真实动态？
传统显微镜的局限性主要体现在三个方面：
时间分辨率不足：
大多数共聚焦显微镜的成像速度仅为每秒几十帧，难以捕捉毫秒级的细胞运动（如神经元电信号传递、细菌趋化迁移）。
空间分辨率受限：
受光学衍射极限影响，传统荧光显微镜的分辨率约为200纳米，无法解析细胞内纳米级结构（如线粒体嵴、病毒颗粒）。
多维数据整合困难：
现有技术通常只能在特定时间点采集静态图像，或通过连续拍摄拼接动态视频，导致数据碎片化，难以还原完整的时空关联。
项目负责人、马克斯·普朗克研究所的Prof. Laura Müller如此形容传统显微技术的困境：
“我们就像用老式胶片相机拍摄一场足球赛——只能看到模糊的球门和零星的球员，却无法理解比赛的节奏与策略。”
技术突破：4D显微镜如何重构生命动态？
研究团队开发的4D超高速显微系统，融合了三项核心创新：
1. 时间门控超分辨率成像
通过受激拉曼散射显微镜（Stimulated Raman Scattering Microscopy, SRS）与荧光寿命成像（Fluorescence Lifetime Imaging, FLIM）的协同作用，系统能够在单次曝光中捕捉到细胞内的分子级动态。例如，研究人员可实时观测脂质代谢在细胞膜上的扩散路径，或钙离子信号在神经元突触间的传递过程。
2. 多波长同步激发技术
传统荧光显微镜需切换不同波长光源才能标记多种目标蛋白，而新系统采用飞秒级激光脉冲同步激发多个荧光探针，实现多色标记与单次成像的完美结合。这一突破使得科学家能在同一时间点观察细胞内线粒体、内质网和高尔基体的协同运动。
3. 人工智能驱动的实时数据重建
借助深度学习算法，系统可将原始图像数据转换为高分辨率4D模型。例如，通过训练神经网络识别荧光信号的时空模式，研究团队成功将成像速度提升至每秒5000帧，同时将空间分辨率压缩至30纳米——这是人类首次在活细胞中清晰解析单个病毒颗粒的组装过程。
关键发现：4D显微镜揭示的生命奥秘
1.细胞迁移的“分子舞蹈”
在追踪癌细胞迁移实验中，4D显微镜首次捕捉到细胞伪足（lamellipodia）的形成与退缩过程。数据显示，伪足的延伸依赖于肌动蛋白聚合与微管解聚的协同调控，而这一过程的时空错位可能导致癌细胞侵袭能力的差异。
2. 病毒入侵的“高速电影”
研究团队利用4D显微镜观察了HIV病毒感染T细胞的全过程。成像显示，病毒包膜与细胞膜的融合发生在0.5秒内，且融合点的脂质成分会迅速发生重组。这一发现为抗病毒药物开发提供了新靶点——例如靶向特定脂质酶以阻断膜融合。
3. 神经元电信号的“闪电网络”
在果蝇幼虫神经元的成像中，4D显微镜揭示了动作电位（action potential）的传播模式。与传统观点不同，研究发现电信号并非沿轴突均匀传导，而是通过非线性跳跃的方式传递，这一现象可能与神经退行性疾病（如阿尔茨海默症）的病理机制密切相关。
为何4D显微镜是显微成像的“游戏规则改变者”？
时空分辨率双突破
时间分辨率：每秒5000帧的成像速度，可捕捉毫秒级的生物事件（如离子通道开关）。
空间分辨率：30纳米的极限分辨率，超越传统光学显微镜的衍射极限。
多模态成像兼容性
系统支持荧光成像、拉曼成像、光片成像等多种模式的无缝切换，满足不同实验需求。例如，科学家可在同一实验中同时观察蛋白质定位与代谢物分布。
活体长期观测能力
通过优化激光功率与荧光探针设计，4D显微镜对活细胞的光毒性降低80%，允许长达72小时的连续观测。这一特性为研究胚胎发育、肿瘤异质性等长期动态过程提供了可能。
应用前景：从基础研究到临床转化
1. 疾病机制解析
癌症研究：实时追踪癌细胞转移路径，识别关键信号通路。
神经科学：解析神经退行性疾病的分子基础，如帕金森病中的α-突触核蛋白聚集。
免疫学：观察免疫细胞（如T细胞）与病原体的相互作用，优化疫苗设计。
2. 药物开发加速
高通量筛选：4D成像可用于评估药物对细胞动态行为的影响（如线粒体功能、细胞周期）。
靶向治疗验证：通过实时监测药物在细胞内的分布与作用靶点，提高研发效率。
3. 工业与农业应用
合成生物学：优化微生物工厂的代谢通路，提升生物燃料或药物的产量。
作物育种：追踪植物根系与土壤微生物的交互，开发抗逆性更强的作物品种。
未来挑战：从实验室到现实的跨越
尽管4D显微镜已取得突破，但仍需解决以下问题：
硬件成本高昂：目前设备造价超过200万美元，限制了其在中小型实验室的普及。
数据分析复杂度：单次实验产生的4D数据量可达1TB以上，对存储与计算资源提出更高要求。
跨学科协作需求：技术开发需要光学工程师、生物学家与数据科学家的紧密合作。
“我们的目标不仅是‘看得见’，而是‘看得懂’。”Prof. Müller表示，“未来，4D显微镜将与人工智能结合，自动解析生物过程的因果关系，真正实现从现象到机制的飞跃。”
当显微镜学会“看时间”，生命科学将走向何方？
4D超高速显微成像技术的诞生，标志着生命科学进入了一个全新的时代。它不仅让我们得以窥见细胞内部的“微观剧场”，更将推动医学、农业与材料科学的跨领域创新。正如Prof. Müller所言：“过去，我们只能用文字描述生命的动态；如今，4D显微镜正在为生命书写一部‘活生生的史诗’。”
共探光子前沿，解锁成像未来
由中国光学工程学会（CSOE）、国际光学工程学会（SPIE）等单位共同主办的 “2025 年第六届世界光子大会”，将于2025 年 6 月 24-27 日在北京国家会议中心盛大启幕。作为中国光学工程学会年会，大会汇聚“第 14 届国际应用光学与光子学技术交流大会（AOPC 2025）”与“第十六届中国光电子产业博览会”，以 “学术 + 产业 + 人才” 为核心，打造全球光学与光电子领域的年度盛会。
在这场备受瞩目的盛事中，3D 成像技术将成为核心焦点之一。大会汇聚全球顶尖科学家、工程师和产业领袖，深度展示从生物医学成像到工业检测的3D成像技术突破。无论是FAP探针的高分辨率活体成像，还是4D显微镜对细胞动态的实时捕捉，都将通过大会的学术交流、产业论坛和展览会全景呈现。我们诚邀您共襄盛举，亲临现场探索3D成像技术的无限可能，感受光学与光电子领域最前沿的科技脉动！
The research was published in Optica (www.doi.org/10.1364/OPTICA.549707).
2024年6月25-27日
国家会议中心
由中国光学工程学会（CSOE）、国际光学工程学会（SPIE）等单位共同主办的“2025年第六届世界光子大会”将于2025年6月25-27日在北京举办。“2025年第六届世界光子大会”是中国光学工程学会年会，包括“第14届国际应用光学与光子学技术交流大会（AOPC 2025）”和“第十六届中国光电子产业博览会”等活动，预计会议规模近1500人。大会共设有19个专题分会，包括激光技术及应用、红外技术及应用、光电探测与成像技术及应用、光谱技术及应用、太赫兹技术及应用等。组委会力邀300余位国内外著名科学家、学术领军专家出席并做精彩报告。大会开幕式将举办中国光学工程学会颁奖盛典！
会议同期举办“第十六届中国光电子产业博览会”，参展商1000余家，博览会包括红外微光技术与应用、激光与智能制造、光通信&光传感及物联网、光学&精密光学制造、测控技术与仪器、创新科技及实验成果、微纳制造、北京半导体展览会等八大主题。同时聚焦当下最热门的光电应用领域，联动参展企业的核心价值，串联有效应用场景，从产业到终端，促进产业链供应链畅通，不断融合升级，积极推动整个行业创新技术高质量供给，为光电企业高质量发展搭台筑基。
