理解生物系统的运行机制需要跨越纳米到厘米、毫秒到数天的时空尺度，对复杂原生微环境中的结构和过程进行多模态观测。然而，现有针对特定任务优化的显微镜存在固有光学和样品处理的权衡，缺乏通用性，且在多细胞体系中易受样品诱导的光学像差影响导致性能下降。本文介绍了一种集成自适应成像校正的多模态光学显微镜MOSAIC，它可按需重构为多种先进成像模式，实现从培养细胞亚细胞动态到活体小鼠神经成像的跨尺度观测，支持同一样本的多尺度关联研究。

本研究由Eric Betzig、Wesley R. Legant、Srigokul Upadhyayula 领衔完成，论文题为“A multimodal adaptive optical microscope for in vivo imaging from molecules to organisms”，于2026年3月被接收，发表在国际学术期刊《Nature Methods》上。

重要发现
01多模态自适应光学显微镜MOSAIC的系统设计
MOSAIC是在晶格光片显微镜基础上演化而来的可重构成像系统，核心设计目标是通过硬件和软件的复用实现多模态集成，并全面配备自适应光学校正能力。在光学架构上，系统采用0.6数值孔径的激发物镜、1.0数值孔径的检测物镜以及盖玻片校正的1.0数值孔径倒置落射荧光物镜，虽然分辨率略有降低，但将光片物镜与盖玻片之间的有效工作距离从接近零提升至330μm，可容纳25mm直径的盖玻片进行样品装载，并支持全区域无遮挡扫描。系统还包含一个位于正置台的1.0数值孔径物镜，用于活体小鼠等大尺寸样品的双光子成像。所有物镜和样品均置于环境控制舱内，可精确调控温度、灌注和二氧化碳浓度。

在激发光路设计上，为满足大视场和快速光片成像的功率需求，MOSAIC采用 Powell透镜与柱面透镜的组合，将激光功率集中在空间光调制器的狭长区域。七路可见光激光通过平行二向色镜堆叠被分离为空间上独立的七条平行光带，分别投射到空间光调制器的不同区域，实现对每个激光的光片倾斜、偏转和自适应光学校正的独立相位控制。反射后的多色光经二向色镜堆叠重新合成为共线光束，再通过共振振镜和瞳孔共轭振镜进入激发物镜。这一设计使晶格光片模式的无拼接体视场大幅提升，成像速度也提升一倍以上，且支持双相机同步双色成像。

MOSAIC的核心优势在于所有成像模态均集成了自适应光学校正能力，通过直接波前传感技术分别校正激发和检测路径的样品诱导像差。系统通过光学开关在2至5秒内完成不同模态间的光路切换，包括晶格光片显微镜、晶格光片结构光照明显微镜、无标记斜照明、宽场和三维结构光照明显微镜、图像扫描显微镜、双光子贝塞尔光束光片显微镜、双光子点扫描显微镜以及点扫描光刺激模式。整个仪器体积紧凑，采用预定心的光学元件减少了不必要的自由度，显著提升了系统的稳定性和组装校准的便捷性。

在超分辨成像方面，MOSAIC集成了多种超分辨技术以平衡分辨率、速度和光毒性。结合晶格光片与单分子追踪技术，实现了小鼠胚胎干细胞中SOX2转录因子分子的50Hz高速追踪，定位精度达25±4nm，分析得到的扩散系数分布与先前研究一致。晶格光片结构光照明显微镜将光片结构化方向的分辨率提升至约180nm，可长时间观察内质网管状结构的延伸与收缩、高尔基体片段在三维内质网网络中的迁移等动态过程。宽场三维结构光照明显微镜实现了全三维方向的两倍分辨率提升，通过优化采集参数和计算去噪，支持长达10.7小时的连续成像，捕捉到线粒体分裂、融合、主动运输等多种事件。

在大体积组织成像方面，MOSAIC的稳定性和大扫描范围结合GPU加速的分析管线，实现了毫米级体积的三维快速超分辨成像。利用双色三维DNA-PAINT技术，对U2OS细胞的核膜和线粒体外膜进行成像，横向定位精度分别达16±9nm和23±1nm，观察到线粒体穿过核膜管状内陷的特殊形态。结合膨胀显微镜技术，对90岁阿尔茨海默病患者的海马组织进行4倍膨胀后的成像，在8.3小时内完成了毫米级体积的数据采集，揭示了髓鞘气球样变、神经丝聚集等多种衰老相关病理特征，证明了大视场快速成像在全面探索组织病理多样性中的价值。

在活体多细胞生物成像方面，自适应光学校正使MOSAIC能够克服组织像差，实现高分辨率的在体观测。在斑马鱼胚胎中，AO-LLSM清晰地观察到人类乳腺癌细胞与血管系统的相互作用以及癌细胞外渗过程，还对尾鳍再生过程进行了12.5小时的连续成像，记录了微囊泡分泌、锚定纤维重塑、间充质细胞融合等多种亚细胞事件。AO-LLS-SIM在斑马鱼眼部实现了超分辨成像，准确分割了整个成像体积内的线粒体，分析了线粒体形态与细胞体积的关系以及细胞分裂过程中线粒体的分配。在活体小鼠皮层成像中，正置双光子模式结合自适应光学校正，在400μm深度范围内实现了单树突棘分辨率的结构成像，功能成像显示AO校正使树突棘钙事件的检测数量提升约2.5倍，还能以250Hz的速度追踪毛细血管中单个红细胞的流动。

创新与亮点
MOSAIC突破了传统单模态显微镜的固有局限性，首次将八种主流先进成像模态集成于单一仪器并全部配备自适应光学校正能力，解决了多细胞体系中样品诱导像差导致的性能下降问题。通过硬件和软件的全面复用，系统大幅降低了成本和空间占用，2至5秒的快速模态切换支持同一样本的多模态关联成像，避免了样品转移带来的定位误差和损伤。

该技术在生物医学领域具有广泛应用价值：在细胞生物学中可实现大群体细胞的表型异质性分析和罕见事件的精细追踪；在神经科学中能够完成活体动物单突触水平的结构和功能成像；在病理学中可对毫米级组织进行纳米尺度的病理特征分析，为疾病机制研究和药物开发提供了强大的技术支撑。

总结与展望
MOSAIC实现了从分子到生物体的跨尺度、多模态、低损伤在体成像，为生物学研究提供了一个统一的集成平台，能够在同一样本上开展从分子动力学、亚细胞结构到组织器官功能的全方位观测。未来，该技术的发展重点将集中在解决海量数据的处理和分析难题，开发多模态四维基础模型，并推动集中式细胞观测站的建设，实现先进成像资源的高效共享和利用。

DOI:10.1038/s41592-026-03066-1.