“超级”显微镜
更新时间：2024-11-21 08:00 浏览量：14
戴琼海（中）、吴嘉敏（右）和团队成员操作“超级”显微镜
当一段悦耳的音乐响起，大脑中数以亿计的神经元是怎样迅速活跃起来的？好端端的一个细胞，是如何变异，一步步变成恶性肿瘤的？当病毒侵入人体，免疫系统是如何动员起来打赢健康保卫战的？
透过“超级”显微镜，这些有关生命活动的奥秘，徐徐揭开。
近期，中国工程院院士、清华大学自动化系教授戴琼海团队宣布新一代介观活体显微仪器系统“RUSH3D”问世。区别于传统光学显微镜，它拥有前所未有的时空跨尺度成像能力——在连接微观与宏观世界的介观尺度上，首次实现了对哺乳动物活体组织的高分辨率、高速、长时间、低光毒性的三维观测，而且几乎不破坏细胞活性。这一突破填补了当前国际范围内对复杂生物过程性研究的观测空白。
为显微镜冠名“超级”的这条路，戴琼海带领团队走了20多年。
2001年，清华大学成立成像与智能技术实验室。20多年来，他们基于该平台在介观活体显微成像领域持续深耕，勇闯科研“无人区”，开展了计算摄像、脑科学与人工智能等国际前沿交叉科学的基础理论与关键技术研究。
如今，10亿像素动态视频采集、活体全脑神经成像、透过皮肤和血管观察细胞……这些“疯狂的想法”，正逐渐成为现实。
1 为显微镜打开“宇宙视角”
走进位于清华主楼三层的自动化系，提神的咖啡香气扑面而来。刚刚结束一场线上会议的戴琼海步履匆匆地赶到会议室，为记者详解了这项颠覆性研究成果——
“经过6年持续攻关，我们在介观活体显微仪器‘RUSH’的基础上，终于研发出了新一代介观活体显微镜‘RUSH3D’。它能以20赫兹的高速三维成像速度，实现长达数十小时的连续低光毒性观测。相比目前市场上最先进的商业化荧光显微镜，它在同样分辨率下的成像视场面积提升近百倍，三维成像速度提升数十倍，光毒性大幅降低。”
与6年前发布的“RUSH”相比，“RUSH3D”新在哪儿？戴琼海从原理讲起：以脑科学为例，大量神经元间的相互连接和作用，让人类涌现出意识，弄清楚神经环路的结构和活动规律，是解析大脑工作原理的必经之路。然而，传统显微镜属于微观视角，虽然具备毫米级视场，但是观测范围较小，只能做到单个平面的神经信号动态记录；功能核磁属于宏观视角，实现了三维全脑范围观测，但空间分辨率低，甚至不能识别单个细胞。
处于宏观和微观之间的介观尺度，则可以聚焦细胞及细胞间的运动和相互作用。
作为国际上首台亿像素级介观荧光显微镜，“RUSH”同时兼具厘米级视场与亚细胞分辨率，克服了传统显微镜看不全的缺点，让显微镜看得宽、分得清；“RUSH3D”在此基础上，不仅实现了看得更宽、分得更清，还拍得更快、看得更久。有了这些升级，显微镜就如同打开了“宇宙视角”。
实验室里，团队正利用新一代显微镜观测活体小鼠大脑的细胞活动。一只小鼠被固定在观测台上，一旁的电脑屏幕上，小鼠全脑神经元活动的三维影像实时变化着，如满天星辰般点点闪耀。
“这些在血管周围忽亮忽灭的荧光信号，就是小鼠大脑里密密麻麻的神经元。放大图像，每个神经元清晰可见；缩小图像，观测范围可达全脑。”清华大学自动化系副教授、团队成员吴嘉敏说，透过显微镜，能清晰地看到小鼠17个脑区的神经元网络。
更难得的是，小鼠即使蹬腿乱动，三维影像仍清晰可见，未曾间断。
许多生命现象难以在体外复现，细胞在活体复杂环境下，往往会呈现更复杂的变化。比如细胞不会一直待在原地不动，像肿瘤细胞就会从原发灶的位置，转移到身体其他部位，而此前显微镜观测技术的最大局限，就是不能实现活体大范围、高分辨率、长时程观测。
想要在活体状态下追踪细胞的活动，就要解决高分辨率的难题——穿透皮肤细胞，扫除皮肤中水、油脂等造成的散射不均的阻碍，还要穿过血管，在复杂环境中捕捉细胞。难度等同于在巨大的体育馆里追踪几百万甚至几千万个高速运动的乒乓球。
此外，细胞还会重叠，呈现三维形态并且三维分布，因此大面积、立体式的三维成像也必不可少。在仪器的长时间照射之下，强光可能引发细胞的“高烧”反应，导致细胞无法正常工作，出现大面积死亡，这也被称为“光毒性”。想要长时间观测活体细胞，必须降低光毒性。
……
面对重重难题，戴琼海带领团队开展了持续攻关。传统光学显微镜是为人眼设计的，团队逆向思考，创新性地改变了传统光学成像“所见即所得”的设计理念，用计算编码、计算采集等多维多尺度计算架构，为计算机“读懂”数据设计了一套感知系统，将外部环境因素对观测的影响降到最低。
他们还开发了数字自适应光学技术，克服光学像差的扰动，降低激光照射对细胞的损伤。
“RUSH3D”集成了过去6年乃至10多年来一系列的理论和关键技术创新，真正实现了整体性能的颠覆性提升。戴琼海团队先后提出了扫描光场成像原理、数字自适应光学架构、虚拟扫描算法等多个关键理论与技术，相关成果均发表在著名国际期刊上。
啃下一个又一个“硬骨头”，个中艰辛只有团队成员才能体会。
就像《桃花源记》里描述的一样，走过幽深的小径，豁然开朗，打开了一个新世界——借助“RUSH3D”这个新工具，科研人员就能看到以往从未见过的世界，研究以前无法解答的问题。
2 从诺贝尔奖里“挖”课题
自动化系走廊深处的一面墙上，贴满了密密麻麻的科学公式，公式下面有张小纸条，上面写着4个字：欢迎指正。这是戴琼海专门让人贴上去的，目的是提醒实验室所有人，要有挑战权威的勇气。
原始创新，是团队进步的基石。
戴琼海很明确，所谓原始创新有3个标准：要改变科学研究的路径、能改变产业发展的方向、可以写进教科书。他要求实验室的师生们，必须思考“图诺问题”——图灵奖和诺贝尔奖级别的问题。
过去100多年间，有20多项诺贝尔奖与脑科学有关，仅仅在医学影像界，光核磁共振技术就成就了多位诺贝尔奖得主，催生了不少颠覆性研究。
戴琼海带领团队反其道而行，往“刁钻”的角度扎，寻找奖项中的技术空白。用他的话说：“如果当时在国际上，有超过5个团队正在研究同一个课题，那我们就不必做了！要做就做原创性的研究。”
于是，戴琼海召集团队成员一起细数历年来成像领域的重大进展。他们发现，1979年诺贝尔生理学或医学奖成果——X射线断层成像仪（CT）以及2003年诺贝尔生理学或医学奖成果——核磁共振成像技术，都有“活体大视场、低分辨率”的特质；而2014年与2017年诺贝尔化学奖成果——超分辨率荧光显微镜与冷冻电镜等均有“离体小视场、高分辨率”的特质。
而在“活体大视场、高分辨率”的介观尺度领域，世界范围内的科研成果和重大突破寥寥无几。
以脑科学为例，大量神经元间的相互连接和作用、人类意识的形成、肿瘤发生和变化的全过程……一系列秘密都藏在介观尺度中，一旦突破，将进一步揭开生命活动的奥秘。
2013年，戴琼海带领团队师生对这项从诺贝尔奖里“挖”来的科研课题发起了猛攻。第一个要解决的难题就是视场和分辨率之间相互制约的固有矛盾。
“以传统显微镜为例，当我们想要看得清的时候，观测范围势必很小；当我们想要大视野范围时，又要牺牲掉分辨率。”吴嘉敏巧妙地比喻了这件事的困难程度，“就像隔着一公里，远远观察蚂蚁搬家，需要排除各种环境干扰和设备制约，传统技术手段很难实现。”
通过反复实验，师生揪出了导致矛盾的原因：现有成像仪器是在“物面和像面均为平面”的前提下进行设计的。实际上，平面物体的理想光学成像是曲面的，而且视场越大，像面弯曲程度越高。为了配合平面成像传感器，校正像面弯曲会使得成像变虚，分辨率变低。
对此，团队另辟蹊径设计了一款适应像面弯曲的宽视场物镜系统，提高了光学信息的获取能力。该系统通过多角度信息实现大视场、多区域的快速像差矫正，进而在后处理过程中实现完美聚焦，即使在动态复杂的环境中仍能保持较清晰的成像。他们还设计了一组曲面像感器阵列，由多个像感器组成，每个像感器对应视场中的不同区块，最终拼接成一个整体显示出来。
2018年，戴琼海团队成功研制了国际首台亿像素介观荧光显微仪器“RUSH”，名字取自英文实时（Real-time）、极大范围（Ultra-large-Scale）和高分辨率（High-resolution），这三个词语精准描述了显微镜的性能。
一年后，经过优化的第二代“RUSH”亮相，每帧图像分辨率达到3.36亿像素，数据通量达到每秒100.8亿像素，相当于每秒能传输7部高清电影。
当时，世界上领先的双光子大视场随机扫描显微镜刚刚触及每秒千万像素的门槛，“RUSH”系列显微镜的横空出世，让我国在国际脑科学领域实现了“领跑”。
最近的“RUSH3D”，不仅兼具厘米级的三维视场与亚细胞分辨率，还能以每秒20帧的速度成像，实现了对细胞和组织内部动态活动的长时间观察。
“如今，我们已经能够隔着一公里远的距离，看清毫米尺度的一只蚂蚁。”吴嘉敏自豪地说，就算蚂蚁不停地移动，成像仍能保持高分辨率。
3 磨剑何止十年
打造国之利器的实验室里，有一群具备交叉学科背景的“90后”“95后”年轻科研人员。来自清华自动化系的博士后张元龙掌握丰富的光学知识，能高效完成光学器件的集成和设计；深圳国际研究生院博士生王鸣瑞等负责关键性计算工作；基础医学院教授郭增才的博士生朱齐禹等从事医学实验验证工作……
尽管日常工作以设备研发为主，但他们大多持有生物实验资格证，为小鼠动手术是基本功，还有人用鱼缸认真培养水母。近年来，团队几乎每个科研项目都调动了清华自动化系、电子工程系、精密仪器系、医学院、药学院、生命科学学院等多方力量参与，合作范围更是远不止在校内。
戴琼海虽是“60后”，却和团队里的年轻人一样拼。“晚上10点、12点，凌晨2点、4点都收到过戴老师的微信，有了奇思妙想马上问我们：‘有空吗’？”有学生说，因为成像仪器的研发需要精密而持续的测量和验证，所以夜晚的实验室也总是灯火通明。
这间成像与智能技术实验室位于自动化系楼上的724、725房间。长久以来，师生间流传着对这两个房间号的励志解读：724，就是抓紧每周7天、每天24小时；725，则要在此基础上，把24小时当成25小时来过。
看似玩笑话，其实是师生们多年攻关的真实写照。
面对团队里的新生力量，戴琼海喜欢用数学家弗里曼·戴森提出的“飞鸟与青蛙”的比喻来教导学生——“先做青蛙，再做飞鸟”，先安心聚焦一个问题，像青蛙一样专注探索特定问题的细节；再去培养研究前沿问题的能力，像飞鸟一样视野开阔。他希望，团队里走出的科研人员能以国际前沿和国家重大需求为重，胸怀宽、境界高、眼光远。
正如戴琼海所期盼的那样，实验室里年轻一代的成果，获得了国际学术界的关注和肯定。
目前，团队利用“RUSH3D”在脑科学、免疫学、医药学等多学科领域产出了令人瞩目的成果：首次在活体小鼠上以单细胞分辨率，实现了覆盖大脑皮层2/3层的高速长时程三维观测；捕捉了多感官刺激下皮层各脑区的各异性响应模式，能够连续多天以单神经元精度追踪大规模神经响应；首次观测到了急性脑损伤后多脑区的细胞级免疫反应，发现大量中性粒细胞从非血管区域往脑内的迁移与回流过程……
“当前的成果仅仅展现了这台‘超级’显微镜应用的冰山一角，应用前景非常广阔。”戴琼海自信地说，目前已在清华大学的支持下成立了国产自主先进显微仪器公司，致力于研发和生产国产自主可控、具备国际领先性能的高端光学显微镜，探索其在生命科学、药学等领域的前沿应用。相关成果正在支撑北京大学、北京航空航天大学、北京师范大学、同济医院等国内高水平科研机构，在肿瘤学、免疫学、脑科学等不同领域开展20余项创新性生命科学研究。
尽管已经和“RUSH”系列显微镜相处10多年，但每次在镜头前操作，师生们总会有一种新奇感：“世之奇伟、瑰怪，非常之观，常在于险远，而人之所罕至焉。”
如今，戴琼海依然带领着团队，走在这条人迹罕至的路上。
前方，生命活动的奥秘散发着耀眼的光芒，召唤他们坚定向前。
新一代介观活体显微仪器系统“RUSH3D”