冻结时间：日本科学家以毫秒精度捕获转瞬即逝的生物过程

抖音快讯 2025年08月26日 01:39 1 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250824031525.htm

当全世界聚焦于观测更快的生命过程时，日本科学家选择让时间暂停。大阪大学研究团队最新开发的时间确定性低温光学显微镜技术，能够在毫秒级精度下冻结活细胞，捕捉那些转瞬即逝的生物过程。这项突破性技术不仅解决了传统活细胞成像面临的根本性困境，更为生命科学研究打开了一扇全新的观察窗口。

传统活细胞成像长期受制于一个基本矛盾：时间分辨率与光子预算之间的权衡。要捕捉快速的细胞动态，必须缩短曝光时间，但这会导致图像昏暗、噪声增加，重要的空间细节在噪声中丢失。大阪大学的研究人员没有继续在这个死胡同中寻找出路，而是彻底改变了思路——既然无法追上时间的脚步，就让时间停下来。

研究团队开发的特殊样品冷冻室将活细胞显微镜与冷冻固定显微镜的优势完美结合。通过电触发冷冻剂注入系统，研究人员能够在紫外线刺激诱发钙离子波后的特定时间点精确冻结细胞，时间精度达到惊人的10毫秒。这一技术突破使得科学家首次能够以高分辨率观察到活体心肌细胞中钙离子波传播的冻结快照，并利用超分辨率技术在三维空间中展现这一精细复杂的过程。

突破光子预算的技术革命

一种新型低温光学显微镜技术可以冻结运动中的细胞，使科学家能够以前所未有的精度捕捉快速生物过程的超精细快照。图片来源：2025，Kosuke Tsuji、Masahito Yamanaka 等人，时间确定性低温光学显微镜，《光：科学与应用》

这项技术的核心创新在于将时间维度从观测方程中剥离出来。主要研究者Kosuke Tsuji表示，团队决定冻结整个场景而非追求成像速度，这一思路转变带来了意想不到的突破。一旦细胞被冻结，研究人员就获得了充足的时间进行精确测量，可以使用比活细胞成像长1000倍的曝光时间，大幅提升测量精度。

传统的STORM和PALM等超分辨率技术由于成像速度慢，通常无法观察快速的细胞动态。而新技术通过瞬时冻结，完美保留了细胞的空间和时间特征，使得这些高精度成像技术得以应用于动态过程的研究。这相当于为生物学家提供了一台能够"暂停"生命的显微镜，让他们有充分时间用最先进的工具仔细观察每一个细节。

更令人惊喜的是，冻结技术还解决了多模态成像的时间匹配难题。研究团队成功将自发拉曼显微镜和超分辨率荧光显微镜结合应用于同一冷冻固定细胞，实现了从多个角度同时观察复杂细胞信息的目标。这种能力在传统活细胞成像中几乎不可能实现，因为不同成像技术的时间要求往往相互冲突。

跨领域应用的巨大潜力

时间确定性低温光学显微镜的影响远超传统生物学研究范畴。在心血管疾病研究领域，这项技术能够精确捕捉心肌细胞钙离子异常的瞬间，为心律失常等疾病的机制研究提供前所未有的细节。研究显示，心肌细胞中钙离子的异常波动与多种心脏疾病密切相关，而传统成像技术难以在保持高分辨率的同时捕捉这些快速变化。

在神经科学领域，神经元间的信号传递往往在毫秒级完成，新技术有望揭示神经可塑性、学习记忆等复杂过程的分子机制。2024年发表在《Nature》上的一项研究指出，传统冷冻电镜虽然能提供超高分辨率，但无法精确控制冻结时间，往往错过关键的动态过程。大阪大学的新技术恰好填补了这一空白。

癌症研究也将从中受益。肿瘤细胞的转移过程涉及细胞形态的快速变化和信号通路的瞬时激活，这些过程的精确观测对于理解癌症机制和开发治疗策略至关重要。新技术能够在细胞开始转移的关键时刻将其冻结，为研究人员提供详细的"犯罪现场"证据。

资深研究员藤田胜正强调，这项技术代表了从"费力追踪"到"精准捕获"的范式转变。与其试图跟上生物过程的速度，不如在关键时刻将其固定，然后从容不迫地进行详细分析。这种思维方式的转变可能会启发更多类似的创新。

技术发展的新里程碑

从技术发展的历史脉络来看，这项创新代表了显微镜技术的又一次重大飞跃。17世纪列文虎克首次观察到微生物，20世纪电子显微镜的发明推动了细胞生物学革命，21世纪初超分辨率显微镜突破了光学衍射极限。如今，时间确定性低温显微镜技术则在时间维度上实现了突破，为生命科学研究开辟了全新的观测空间。

这项技术的成功也反映了跨学科合作的重要性。研究团队融合了光学、低温技术、电子控制和生物学等多个领域的专业知识，才得以实现如此精密的时空控制。主要研究者山中正人指出，技术的核心在于瞬时冻结的同时保留活细胞的所有特征，这需要在材料科学、工程技术和生物学之间找到完美的平衡点。

随着这项技术的进一步完善和推广，预计将在未来几年内催生一批重要的生物学发现。从分子水平的蛋白质构象变化到细胞水平的信号传导，从组织水平的发育过程到器官水平的功能调节，时间确定性成像技术都有望提供关键洞察。

当科学家们仍在竞相开发更快的成像技术时，大阪大学的研究人员用一种优雅的方式证明：有时候，让时间停下来比追赶时间更加有效。这种"以静制动"的智慧，或许正是生命科学研究迈向新高度所需要的关键一步。

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