新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D。受訪單位供圖
日前，中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)自動(dòng)化系教授戴瓊海團(tuán)隊(duì)的研究成果——新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D問(wèn)世。這臺(tái)儀器可以“看穿”大腦，具有跨空間和時(shí)間的多尺度成像能力，填補(bǔ)了當(dāng)前國(guó)際范圍內(nèi)對(duì)哺乳動(dòng)物介觀尺度活體三維觀測(cè)的空白，同時(shí)為揭示神經(jīng)、腫瘤、免疫新現(xiàn)象和新機(jī)理提供了新的“殺手锏”。相關(guān)研究刊發(fā)于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》。
通過(guò)這臺(tái)超級(jí)顯微鏡可以看到什么，又能幫助人類(lèi)解決哪些重大基礎(chǔ)研究難題？科技日?qǐng)?bào)記者采訪了戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)。
兼具厘米級(jí)視場(chǎng)與亞細(xì)胞分辨率
細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位。每時(shí)每刻，人體內(nèi)都在上演著大量不同類(lèi)型細(xì)胞間交互作用所形成的“交響曲”。
“在這一連接微觀與宏觀之間的介觀尺度上，存在巨大的技術(shù)空白，使得當(dāng)前研究難以在哺乳動(dòng)物的活體環(huán)境器官尺度下，同時(shí)觀測(cè)大量細(xì)胞在不同生理與病理狀態(tài)下的時(shí)空異質(zhì)性，這極大限制了腦科學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科發(fā)展。”清華大學(xué)自動(dòng)化系副教授吳嘉敏說(shuō)。以腦科學(xué)為例，大量神經(jīng)元間的相互連接和作用涌現(xiàn)出如智能、意識(shí)等功能，厘清神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)和活動(dòng)規(guī)律是解析大腦工作原理的必由之路。然而，具備單神經(jīng)元識(shí)別能力的傳統(tǒng)顯微鏡往往只具備毫米級(jí)視場(chǎng)，僅能覆蓋小鼠單個(gè)或幾個(gè)腦區(qū)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)平面神經(jīng)信號(hào)動(dòng)態(tài)記錄；功能核磁雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三維全腦范圍觀測(cè)，但空間分辨率卻遠(yuǎn)不足以識(shí)別單細(xì)胞。
瞄準(zhǔn)這一國(guó)際前沿難題，戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)在2013年率先開(kāi)展介觀活體顯微成像領(lǐng)域研究，并在2018年成功研制出當(dāng)時(shí)全球視場(chǎng)最大、數(shù)據(jù)通量最高的顯微儀器——高分辨光場(chǎng)智能成像顯微儀器RUSH，這臺(tái)儀器兼具厘米級(jí)視場(chǎng)與亞細(xì)胞分辨率。
然而，RUSH系統(tǒng)仍面臨一系列瓶頸，且每一項(xiàng)技術(shù)瓶頸本身都是生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的國(guó)際難題，在同一系統(tǒng)上同時(shí)解決這些活體成像問(wèn)題極具挑戰(zhàn)。
RUSH3D的問(wèn)世，使得上述難題迎刃而解。吳嘉敏介紹說(shuō)，RUSH3D能以20Hz的三維成像速度實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十個(gè)小時(shí)的連續(xù)低光毒性觀測(cè)。它不僅“分得清”，還“看得更全”“拍得更快”“看得更久”。
突破傳統(tǒng)光學(xué)成像系列物理瓶頸
“做基礎(chǔ)研究，就是要有敢于做顛覆性科研的勇氣。”戴瓊海說(shuō)，過(guò)去十多年來(lái)，科研團(tuán)隊(duì)持續(xù)進(jìn)行一系列的理論和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)了儀器整體性能的顛覆性提升。
吳嘉敏介紹說(shuō)，該成果的創(chuàng)新點(diǎn)，即提出一系列計(jì)算成像方法，在同一技術(shù)架構(gòu)上，同時(shí)解決了一系列活體成像難題，從而解決視場(chǎng)、分辨率、三維成像速度、光毒性之間的固有矛盾。計(jì)算成像的核心理念是改變傳統(tǒng)光學(xué)成像“所見(jiàn)即所得”的設(shè)計(jì)理念，利用計(jì)算編碼、計(jì)算采集等多維尺度計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高維光場(chǎng)的超精細(xì)感知與融合，為機(jī)器設(shè)計(jì)更好的感知系統(tǒng)，從而突破傳統(tǒng)光學(xué)成像的一系列物理瓶頸。
吳嘉敏進(jìn)一步解釋道，針對(duì)二維傳感器難以捕捉三維動(dòng)態(tài)變化的難題，團(tuán)隊(duì)提出掃描光場(chǎng)成像原理，在實(shí)現(xiàn)軸向400微米范圍高速三維成像的同時(shí)，大幅降低激光照射對(duì)細(xì)胞的損傷。
針對(duì)活體組織復(fù)雜環(huán)境引起的光學(xué)像差降低系統(tǒng)成像分辨率與信噪比這一難題，團(tuán)隊(duì)提出基于波動(dòng)光學(xué)的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，即無(wú)須在光學(xué)系統(tǒng)中增加額外波前傳感器或者空間調(diào)制器，在后端就可完成大視場(chǎng)多區(qū)域自適應(yīng)光學(xué)像差矯正，從而提升大視場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境三維成像的空間分辨率，以及信噪比。這一設(shè)計(jì)使得儀器僅需常規(guī)尺寸物鏡，就能有效克服空間非一致的系統(tǒng)像差和樣本像差難題，實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)內(nèi)均一高空間分辨率的十億像素成像，顯著降低介觀成像系統(tǒng)尺寸與成本。
獲得一批“國(guó)際首次”觀測(cè)成果
“優(yōu)化科學(xué)研究的路徑與產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步、人民幸福，是我們始終堅(jiān)持的奮斗目標(biāo)。”戴瓊海說(shuō)。
目前，已有多個(gè)交叉研究團(tuán)隊(duì)利用RUSH3D在腦科學(xué)、免疫學(xué)、醫(yī)學(xué)與藥學(xué)等多學(xué)科，獲得一批“國(guó)際首次”觀測(cè)成果。
“在腦科學(xué)方面，RUSH3D通過(guò)其跨時(shí)空的多尺度成像能力，極大拓寬了科學(xué)家對(duì)大腦的認(rèn)知。”吳嘉敏介紹說(shuō)。
大腦皮層的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是高等動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中十分重要而又復(fù)雜的信息處理中心，是產(chǎn)生生物智能乃至意識(shí)的關(guān)鍵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。然而，由于觀測(cè)技術(shù)限制，目前大部分研究只能同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中一個(gè)或幾個(gè)皮層區(qū)域的神經(jīng)元活動(dòng)，難以進(jìn)一步研究皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合動(dòng)態(tài)變化。
通過(guò)RUSH3D大視場(chǎng)、三維高分辨率、高幀率的成像優(yōu)勢(shì)，交叉團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性實(shí)現(xiàn)對(duì)頭固定狀態(tài)下清醒小鼠背側(cè)皮層17個(gè)腦區(qū)中十萬(wàn)量級(jí)大規(guī)模神經(jīng)元的長(zhǎng)時(shí)間高速三維記錄，并且能夠?qū)ν蝗荷窠?jīng)元多天連續(xù)追蹤。運(yùn)用該系統(tǒng)，研究人員證實(shí)了響應(yīng)感覺(jué)刺激，調(diào)控運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元并非只存在于單一感覺(jué)皮層、運(yùn)動(dòng)皮層，而是廣泛存在于皮層各個(gè)區(qū)域，但各個(gè)區(qū)域神經(jīng)元對(duì)感覺(jué)信息編碼、整合、區(qū)分的能力存在差異。科研人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，自發(fā)運(yùn)動(dòng)行為發(fā)起時(shí)，小鼠皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)采用由尾側(cè)向鼻側(cè)傳導(dǎo)的發(fā)放模式。這一結(jié)果提示，視覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)皮層神經(jīng)元的信息整合和全皮層范圍信號(hào)擴(kuò)散，可能是引起自發(fā)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。
吳嘉敏說(shuō)，在此基礎(chǔ)上，RUSH3D有望首次實(shí)現(xiàn)解析全背側(cè)皮層的介觀腦功能圖譜，通過(guò)捕捉大腦內(nèi)的成百上千萬(wàn)神經(jīng)元間的動(dòng)態(tài)連接與功能，揭示意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)、智能的本質(zhì)等基本問(wèn)題，推動(dòng)對(duì)神經(jīng)退行性疾病的研究，還有望推動(dòng)腦啟發(fā)的人工智能發(fā)展。
（記者 華 凌）