Determining the structure and composition of macromolecular assemblies is a major challenge in biology. Here we describe ultrastructure expansion microscopy (U-ExM), an extension of expansion microscopy that allows the visualization of preserved ultrastructures by optical microscopy. This method allows for near-native expansion of diverse structures in vitro and in cells; when combined with super-resolution microscopy, it unveiled details of ultrastructural organization, such as centriolar chirality, that could otherwise be observed only by electron microscopy.

Optical flow estimation is one of the oldest and still most active research domains in computer vision. In 35 years, many methodological concepts have been introduced and have progressively improved performances, while opening the way to new challenges. In the last decade, the growing interest in evaluation benchmarks has stimulated a great amount of work. In this paper, we propose a survey of optical flow estimation classifying the main principles elaborated during this evolution, with a particular concern given to recent developments. It is conceived as a tutorial organizing in a comprehensive framework current approaches and practices. We give insights on the motivations, interests and limitations of modeling and optimization techniques, and we highlight similarities between methods to allow for a clear understanding of their behavior.

For decades, electron microscopy (EM) was the only method able to reveal the ultrastructure of cellular organelles and molecular complexes because of the diffraction limit of optical microscopy. In recent past, the emergence of super-resolution fluorescence microscopy enabled the visualization of cellular structures with so far unmatched spatial resolution approaching virtually molecular dimensions. Despite these technological advances, currently super-resolution microscopy does not permit the same resolution level as provided by electron microscopy, impeding the attribution of a protein to an ultrastructural element. Here, we report a novel method of near-native expansion microscopy (UltraExM), enabling the visualization of preserved ultrastructures of macromolecular assemblies with subdiffraction-resolution by standard optical microscopy. UltraExM revealed for the first time the ultrastructural localization of tubulin glutamylation in centrioles. Combined with super-resolution microscopy, UltraExM unveiled the centriolar chirality, an ultrastructural signature, which was only visualizable by electron microscopy.

To understand neural circuits that control limbs, one must measure their activity during behavior. Until now this goal has been challenging, because the portion of the nervous system that contains limb premotor and motor circuits is largely inaccessible to large-scale recording techniques in intact, moving animals - a constraint that is true for both vertebrate and invertebrate models. Here, we introduce a method for 2-photon functional imaging from the ventral nerve cord of behaving adult Drosophila melanogaster. We use this method to reveal patterns of activity across nerve cord populations during grooming and walking and to uncover the functional encoding of moonwalker ascending neurons (MANs), moonwalker descending neurons (MDNs), and a novel class of locomotion-associated descending neurons. This new approach enables the direct investigation of circuits associated with complex limb movements.

Super-resolution microscopies, which allow features below the diffraction limit to be resolved, have become an established tool in biological research. However, imaging throughput remains a major bottleneck in using them for quantitative biology, which requires large datasets to overcome the noise of the imaging itself and to capture the variability inherent to biological processes. Here, we develop a multi-focal flat illumination for field independent imaging (mfFIFI) module, and integrate it into an instant structured illumination microscope (iSIM). Our instrument extends the field of view (FOV) to >100x100 micrometers^2 without compromising image quality, and maintains high-speed (100 Hz), multi-color, volumetric imaging at double the diffraction-limited resolution. We further extend the effective FOV by stitching multiple adjacent images together to perform fast live-cell super-resolution imaging of dozens of cells. Finally, we combine our flat-fielded iSIM setup with ultrastructure expansion microscopy (U-ExM) to collect 3D images of hundreds of centrioles in human cells, as well as of thousands of purified Chlamydomonas reinhardtii centrioles per hour at an effective resolution of ~35 nm. We apply classification and particle averaging to these large datasets, allowing us to map the 3D organization of post-translational modifications of centriolar microtubules, revealing differences in their coverage and positioning.