清华团队研发LF-denoising技术：实现“自然光级”低光毒性的长时程三维亚细胞成像

【导读】清华大学科研团队近日成功开发了一种名为LF-denoising的自监督去噪算法。该技术基于光场空间角度的冗余特性，在仅有自然光水平（10μW/mm²）的极低光照下，实现了高保真的长时程三维亚细胞成像。这一突破性进展克服了活体成像中光毒性的长期制约，为脑科学和免疫学等前沿领域提供了强有力的观测工具，助力科研人员捕捉生命活动的真实动态。

细胞作为构成生命体的基本单元，其功能发挥及复杂的体内交互通常持续数小时甚至更久，这些过程在离体环境下往往难以真实再现。

因此，在活体动物体内实现兼具高保真度和超低光毒性的亚细胞三维成像，已成为深入理解脑科学、免疫学及细胞动力学等领域的关键。这一技术进步有望为长时程生物观测开启全新的视角。

然而，在传统的荧光显微成像中，激发光的照射会不可避免地产生光毒性——光能会导致细胞与组织受损，引发荧光信号衰减、细胞功能紊乱，甚至导致实验样本死亡。

光毒性并非瞬间发生的，而是随着成像过程不断累积的“逐帧伤害”。在长时间的观测中，这种累积效应会改变生物体的生理状态，导致最终观测到的结果并非真实的生命活动过程。

为了应对这一难题，清华大学戴琼海院士团队此前已在成像“节流”技术上取得显著进展：通过扫描光场显微技术实现单次曝光的三维重建，并结合虚拟扫描技术大幅降低了激发光剂量。尽管光子利用率已达极高水平，激发光强也已接近现有的成像下限，但挑战依然存在。

真正的难题源于那些需要持续数小时甚至昼夜的生物现象：为了确保样本在无干扰的情况下维持正常生理活动，激发光强度必须降至接近自然光的微弱水平。但在这种光照下，原始图像的信噪比极低，组织结构被严重的噪声淹没。

虽然现有的深度学习增强手段能利用时空冗余提升画质，但在极弱光环境下，往往会以牺牲分辨率或引入伪影为代价，难以满足科研级别的高保真要求。

因此，如何在“自然光级”的光照条件下维持时空高保真度，利用计算框架将微弱的光子信息高效转化为清晰的影像，是实现长时程活体观测的核心挑战。

攻克这一难题，将使活体显微成像从“有限时长观测”跨入“无扰连续监测”的新纪元，为揭示生命演化的连续真相铺平道路。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66654-3

针对上述科学困境，2025年11月24日，清华大学团队在《Nature Communications》上发表了最新研究，推出了基于光场空间角度冗余的自监督去噪算法LF-denoising，在自然光级别的激发光下实现了高速、长时程、高保真的三维成像。

LF-denoising采用了独特的双路网络结构，深度挖掘光场在空间与角度维度上的高维复合冗余特征进行训练，从而有效地避免了因单一冗余导致的保真度受损问题。

该研究团队还针对活体观测中常见的固定模式噪声及样本快速运动等问题进行了优化，确保LF-denoising能够适配多种显微设备和生物样本，成功突破了弱光环境下的成像瓶颈。

通过对斑马鱼心跳、胚胎发育、小鼠肝脏及果蝇脑等多种模式生物的活体实验，团队验证了该算法卓越的去噪能力。这也是国际上首次在10-μW/mm²的自然光级光毒性下，实现亚细胞分辨率的长时程三维荧光显微成像。

图1：LF-denoising技术原理

光场图像包含了空间与角度四个维度的数据。LF-denoising通过视角重排形成两组极平面图像（EPI），并结合重采样与分路网络训练，最终通过注意力机制融合模块输出去噪后的高质量光场图像，支撑后续的三维重建。

LF-denoising助力自然光级高速长时程三维成像

图2：斑马鱼胚胎10小时连续三维观测

在极低激发光强度下，LF-denoising不仅避免了光漂白，还清晰还原了斑马鱼胚胎发育中迁移体的生成过程，将观测时长从不足2小时延长至10小时以上。

在高度动态成像中保持极高保真度

图3：斑马鱼幼鱼心跳实验的去噪表现

面对心肌快速跳动和血细胞流动的挑战，LF-denoising通过高维冗余性在维持保真度的同时，清晰呈现了血管结构与动态细节，克服了传统方法易产生模糊或分辨率丢失的问题。

实现果蝇脑神经活动的因果性量化分析

图4：果蝇脑神经分析的时间因果性保留

在双光子成像实验中，LF-denoising去噪后的神经响应与原始数据高度一致，不仅保留了嗅觉脑区的流形特征，还发现了原始噪声数据中难以察觉的新因果关联。

作者团队与技术应用

该研究的一系列核心专利已在清华大学完成转化，并支持了国内多家顶尖科研机构及医院在肿瘤、免疫、脑科学等领域的20余项创新研究。本文共同第一作者为卢志助理教授与陈文韬博士生，共同通讯作者为戴琼海院士与吴嘉敏副教授。