熱消息：中國(guó)科學(xué)家打造世界獨(dú)一無(wú)二顯微鏡 助力腦科學(xué)、癌癥研究

清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導(dǎo)師吳嘉敏在調(diào)節(jié)多維多尺度計(jì)算攝像儀器的光學(xué)系統(tǒng)(2021年5月攝)。新華社發(fā)(清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室供圖)

大腦如何產(chǎn)生意識(shí)?腫瘤如何發(fā)生轉(zhuǎn)移?吳嘉敏希望自己參與研制的世界上獨(dú)一無(wú)二的顯微鏡，幫助人類揭開大腦的奧秘，并攻克癌癥、阿爾茲海默癥、帕金森病、癲癇等疾病。

這位年僅30歲的清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導(dǎo)師研究的方向橫跨了信息學(xué)、光學(xué)和生命科學(xué)。他近年參與研制的一系列多維多尺度計(jì)算攝像儀器被稱為“上帝視角”的顯微鏡，讓科學(xué)家第一次可以在哺乳動(dòng)物體內(nèi)研究大規(guī)模細(xì)胞之間的交互作用，相關(guān)科研成果刊登在《自然》《細(xì)胞》等國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊。

【資料圖】

在清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，遮光簾幕下露出稀奇古怪的復(fù)雜零件，布滿整個(gè)桌臺(tái)。這是目前世界上唯一能夠?qū)崿F(xiàn)小鼠全腦范圍亞細(xì)胞分辨率動(dòng)態(tài)觀測(cè)的設(shè)備，是研究神經(jīng)回路工作機(jī)理與大范圍腫瘤轉(zhuǎn)移機(jī)制的利器。利用這一特殊的顯微鏡，科學(xué)家在2021年4月首次實(shí)現(xiàn)了在小鼠活體連續(xù)6個(gè)小時(shí)以上的毫秒級(jí)亞細(xì)胞分辨率三維動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

吳嘉敏介紹，以往生命科學(xué)研究大部分局限于體外觀測(cè)，活體內(nèi)觀測(cè)常常面臨很大的挑戰(zhàn)。由于缺少?gòu)募?xì)胞到組織再到器官這一介于微觀與宏觀之間的介觀尺度活體觀測(cè)能力，極大限制了生命科學(xué)的進(jìn)展。

“以腦科學(xué)為例，大腦有意識(shí)，能夠做出認(rèn)知決策，但大腦每個(gè)神經(jīng)元不具備這樣的功能。神經(jīng)元之間到底是怎么聯(lián)系的?為什么能產(chǎn)生這種群體行為的功能?我們對(duì)單個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)已經(jīng)很了解了，但如果觀察不到神經(jīng)元之間的大規(guī)模相互作用，就無(wú)法從整體系統(tǒng)的角度去研究整個(gè)功能性的連接過(guò)程?！眳羌蚊粽f(shuō)。

清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導(dǎo)師吳嘉敏在測(cè)試計(jì)算攝像編碼光照系統(tǒng)(2019年1月攝)。新華社發(fā)(清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室供圖)

要觀察大量神經(jīng)元的相互作用，就要求成像系統(tǒng)既能覆蓋很大的視野范圍，同時(shí)具備很高的分辨率，能夠看清單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)變化。“這就如同在巨大的體育館內(nèi)去追蹤幾百萬(wàn)甚至幾千萬(wàn)個(gè)乒乓球的高速運(yùn)動(dòng)。”吳嘉敏說(shuō)。

“另外，活體內(nèi)觀測(cè)會(huì)受到非常多干擾，比如我在說(shuō)話時(shí)，抖動(dòng)非常劇烈，這為高速三維成像帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。”傳統(tǒng)光學(xué)儀器是為人眼設(shè)計(jì)的，但吳嘉敏運(yùn)用信息學(xué)技術(shù)，專為機(jī)器設(shè)計(jì)“眼睛”，借鑒了昆蟲復(fù)眼精細(xì)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)，把龐大復(fù)雜的成像問題拆分成一系列并行的小問題，改變了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的理念。

他提出了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，能以前所未有的精度記錄空間中每一條光線的信息，并在數(shù)字世界中重新組織每一條光線，操控光的傳播，克服物理世界中光學(xué)像差的擾動(dòng)去恢復(fù)足夠高的空間分辨率，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜活體環(huán)境中的高分辨率高速三維觀測(cè)。

清華大學(xué)的研究人員利用該儀器在國(guó)際上第一次實(shí)現(xiàn)了清醒小鼠全腦皮層范圍內(nèi)亞細(xì)胞分辨率的動(dòng)態(tài)觀測(cè);第一次在哺乳動(dòng)物體內(nèi)觀測(cè)到癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生遷移體的亞細(xì)胞級(jí)動(dòng)態(tài)變化。

吳嘉敏介紹，在癌癥治療研究方面，該技術(shù)可幫助臨床醫(yī)生在腫瘤切除手術(shù)中，實(shí)時(shí)快速判斷是否切除干凈，也可幫助科學(xué)家大范圍觀測(cè)腫瘤轉(zhuǎn)移的過(guò)程，研究其機(jī)制。

這是清華大學(xué)科學(xué)家利用多維多尺度計(jì)算攝像儀器拍攝的小鼠神經(jīng)圖片(2018年3月攝)。新華社發(fā)(清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室供圖)

中國(guó)工程院院士戴瓊海說(shuō)，吳嘉敏的工作打開了從系統(tǒng)學(xué)角度理解復(fù)雜生命活動(dòng)，在不同生理病理?xiàng)l件下跨尺度變化的大門，有望揭示神經(jīng)回路、腫瘤轉(zhuǎn)移、免疫反應(yīng)新機(jī)理。

吳嘉敏說(shuō)，研制的起始階段非常艱辛，如《桃花源記》中一樣，經(jīng)過(guò)幽深的小徑才突然豁然開朗，像打開一個(gè)新世界?！爱?dāng)我們有了新工具，就能看到以往從未見過(guò)的‘世界’，研究以前無(wú)法解答的問題。希望這能給生命科學(xué)家一些新的理解，產(chǎn)生新的思路和研究方法。”

他崇拜發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的弗朗西斯·克里克。這位原本研究X射線衍射的科學(xué)家把新的工具用到生命科學(xué)領(lǐng)域，帶來(lái)了重大突破。“我們也想做類似的事情?！?/p>

他說(shuō)，光學(xué)是非常古老的學(xué)科，信息科學(xué)的出現(xiàn)給光學(xué)帶來(lái)很大改變。在學(xué)科大交叉的時(shí)代，需要不斷跨入新的領(lǐng)域。吳嘉敏說(shuō)：“我做研究很大程度是受好奇心驅(qū)動(dòng)，希望可以做獨(dú)特的事?！?/p>

吳嘉敏希望不斷提高活體介觀顯微成像性能，看得更廣、更清晰、更快，捕捉到更多現(xiàn)象，并能讓新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。目前該團(tuán)隊(duì)已將顯微成像儀器從鋪滿一張桌臺(tái)縮小到一個(gè)鞋盒大小。這一系列儀器已在支持清華、北大、301醫(yī)院等20項(xiàng)創(chuàng)新性科學(xué)研究。

該團(tuán)隊(duì)已成立產(chǎn)業(yè)化公司，將數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)成像、自動(dòng)駕駛?cè)S感知等領(lǐng)域。此外，這一技術(shù)還可用于天文望遠(yuǎn)鏡，幫助克服大氣湍流對(duì)天文成像造成的干擾，實(shí)現(xiàn)大范圍高分辨率的觀測(cè)。

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