【ZiDongHua 之創(chuàng)新自科文收錄關鍵詞：清華大學 自動化系 顯微鏡 人工智能 】
　　
　　“看穿”大腦！清華團隊又又研發(fā)一臺超級顯微鏡
　　
　　你有沒有好奇過
　　
　　當一段精彩的影視畫面映入眼簾
　　
　　大腦中數(shù)以億計的神經元
　　
　　是如何迅速活躍起來
　　
　　相互作用形成特殊的神經環(huán)路？
　　
　　又是如何產生意識？
　　
　　如果腦部不慎受到撞擊
　　
　　免疫細胞究竟是從哪里出發(fā)奔赴患處？
　　
　　從細胞異常開始
　　
　　一個腫瘤發(fā)生發(fā)展的完整過程
　　
　　到底是什么樣的？
　　
　　清華大學成像與智能技術實驗室里
　　
　　憑借一臺前所未有的“超級顯微鏡”
　　
　　——RUSH3D
　　
　　研究者們正在連接微觀與宏觀世界的
　　
　　介觀尺度上
　　
　　全景、動態(tài)、長時程地
　　
　　觀測著哺乳動物活體組織中
　　
　　大規(guī)模多樣化細胞間的交互行為
　　
　　探索著這些生命活動的瑰麗奧秘
 
　　
　　9月13日
　　
　　清華大學戴瓊海團隊
　　
　　在國際頂尖期刊《細胞》（Cell）
　　
　　發(fā)表最新工作
　　
　　宣布新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D問世
　　
　　它具有跨空間和時間的多尺度成像能力
　　
　　填補了當前國際范圍內
　　
　　對哺乳動物介觀尺度活體三維觀測的空白
　　
　　為揭示神經、腫瘤、免疫新現(xiàn)象和新機理
　　
　　提供了新的“殺手锏”
　　
　　使我國生命科學家、醫(yī)學家
　　
　　能夠率先使用我國自主高端儀器設備
　　
　　來解決重大基礎研究問題
 
　　
　　細胞（Cell）官網相關論文頁面
　　
　　《細胞》（Cell）雜志相關論文首頁
　　
　　做顛覆性科研 研制超級顯微鏡
　　
　　儀器是科學研究的“先行官”
　　
　　顯微儀器的發(fā)明
　　
　　拓展了人類對生命活動的認知邊界
　　
　　但觀測儀器的研制
　　
　　長期受困于視場與分辨率間的固有矛盾
　　
　　能“分得清”單個神經元的傳統(tǒng)顯微鏡
　　
　　往往“看不全”
　　
　　僅能實現(xiàn)單個平面神經信號的動態(tài)記錄
　　
　　而可以在三維全腦范圍進行觀測的功能核磁
　　
　　空間分辨率卻遠遠不足以識別單細胞
　　
　　介觀尺度上的技術空白限制著前沿突破
　　
　　活體介觀成像的技術空白
　　
　　“做基礎研究
　　
　　就是要有敢于做顛覆性科研的勇氣”
　　
　　懷著去科研“無人區(qū)”探索一番的決心
　　
　　戴瓊海團隊自2013年起
　　
　　率先開展介觀活體顯微成像領域研究
　　
　　頂著“6年間幾乎無一篇論文發(fā)表”的壓力
　　
　　團隊成員幾乎
　　
　　“一周7天、一天24小時都在實驗室”
　　
　　瞄準原始創(chuàng)新，集智攻關
　　
　　終在2018年成功研制出
　　
　　當時全球視場最大
　　
　　數(shù)據(jù)通量最高的顯微儀器——
　　
　　高分辨光場智能成像顯微儀器RUSH
　　
　　與其他國家研制的儀器相比
　　
　　RUSH每秒能拍到百億像素
　　
　　是國際上首個能實現(xiàn)
　　
　　小鼠全腦皮層范圍神經活動
　　
　　高分辨率成像的儀器
　　
　　“看得寬”又“分得清”，還“拍得快”
　　
　　被國際同行譽為領域先驅
　　
　　RUSH系統(tǒng)
　　
　　“從0到1”的一步邁出去
　　
　　戴瓊海團隊攀登這座科學高峰的旅程
　　
　　卻仿佛才剛剛開始
　　
　　他們看到
　　
　　飽受好評的RUSH仍然存在諸多局限
　　
　　每一項有待突破的技術瓶頸
　　
　　本身也都是生物醫(yī)學成像領域的國際難題
　　
　　想要在同一系統(tǒng)上
　　
　　同時解決一系列活體成像壁壘
　　
　　挑戰(zhàn)超乎尋常
　　
　　但又一個6年過去
　　
　　RUSH3D系統(tǒng)問世
　　
　　他們再次做到了“別人想都想不到的事”
　　
　　十數(shù)年磨一劍 開啟領域新紀元
　　
　　“要保持對基礎研究的持續(xù)投入
　　
　　鼓勵自由探索
　　
　　敢于質疑現(xiàn)有理論，勇于開拓新的方向”
　　
　　2021年4月19日
　　
　　習近平總書記考察清華大學時
　　
　　曾來到位于主樓三層的
　　
　　成像與智能技術實驗室
　　
　　并留下殷殷囑托
　　
　　強烈的創(chuàng)新意識與使命擔當
　　
　　驅動著戴瓊海團隊敢想更敢為——
　　
　　要用前人沒有用過的方法來解決難題
　　
　　走進實驗室，你會發(fā)現(xiàn)
　　
　　不同于僅主體部分
　　
　　就要單獨占用一個房間的RUSH
　　
　　RUSH3D的架設只需要一張桌子
　　
　　體積約縮小至此前的十分之一
　　
　　不僅儀器復雜程度和造價成本顯著下降
　　
　　更是“濃縮的精華”
　　
　　它集成了戴瓊海團隊
　　
　　十數(shù)年來“打怪升級”所實現(xiàn)的一系列
　　
　　成像與智能技術理論和關鍵技術成果
　　
　　RUSH3D突破一系列技術壁壘
　　
　　用二維傳感器觀測三維動態(tài)樣本
　　
　　將激光長時間照射引起的細胞損傷
　　
　　也即光毒性降低上百倍
　　
　　利用計算成像“為機器設計眼睛”
　　
　　令常規(guī)尺寸物鏡
　　
　　也能實現(xiàn)十億像素成像
　　
　　系統(tǒng)觀測的精度
　　
　　就像“可以在10米見方的房間中
　　
　　同時捕捉成千上萬只螞蟻
　　
　　在三維空間中的運動軌跡”
　　
　　……
　　
　　這些看似“瘋狂”的想法
　　
　　在戴瓊海團隊大膽地“另辟蹊徑”下
　　
　　變?yōu)榱爽F(xiàn)實
　　
　　RUSH3D在兼具厘米級三維視場
　　
　　與亞細胞分辨率的同時
　　
　　還能以20Hz的高速三維成像速度
　　
　　實現(xiàn)長達數(shù)十個小時的
　　
　　連續(xù)低光毒性觀測
　　
　　可以說，它不僅“分得清”
　　
　　還“看得更全”“拍得更快”“看得更久”
　　
　　有了RUSH3D
　　
　　研究人員終于能夠
　　
　　在哺乳動物的活體環(huán)境器官尺度下
　　
　　同時觀測大量細胞
　　
　　在不同生理與病理狀態(tài)下的時空異質性
　　
　　產學研深融合 交叉創(chuàng)新育人才
　　
　　重大原始創(chuàng)新成果
　　
　　往往萌發(fā)于深厚的基礎研究
　　
　　產生于學科交叉領域
　　
　　以“理學思維融合工科實踐”為科研理念
　　
　　戴瓊海團隊正是在交叉領域踐行原始創(chuàng)新
　　
　　從儀器的研發(fā)制造到產出觀測成果
　　
　　團隊中，來自不同單位
　　
　　不同學科背景的科研人員
　　
　　并肩探索全新的領域
　　
　　在一次次思維的激烈碰撞中
　　
　　學習交流、創(chuàng)新路徑
　　
　　“90后”甚至“00后”的青年學者迅速成長
　　
　　在關鍵理論與技術的突破中嶄露頭角
　　
　　成果接連發(fā)表在國際頂尖期刊
　　
　　戴瓊海（左二）和團隊部分成員
　　
　　“改變科學研究的路徑
　　
　　與產業(yè)發(fā)展的方向
　　
　　推動科學進步、人民幸福
　　
　　是我們始終堅持的奮斗目標”
　　
　　目前已有多個交叉研究團隊利用RUSH3D
　　
　　在腦科學、免疫學、醫(yī)學與藥學等多學科
　　
　　展示出一批“國際首次”的觀測成果
　　
　　小鼠全腦皮層范圍三維神經成像
　　
　　以腦科學為例
　　
　　RUSH3D可以對正在“看電影”的清醒小鼠
　　
　　進行長時間三維全腦范圍高速成像
　　
　　并以足夠的空間分辨率
　　
　　呈現(xiàn)出所觀測17個腦區(qū)中
　　
　　如漫天星辰般點點閃耀的神經元網絡
　　
　　探究生物智能、意識等
　　
　　大腦功能的產生原理
　　
　　推動對大腦退行性疾病的研究
　　
　　同時進一步促進腦啟發(fā)人工智能的探索
　　
　　在其他領域
　　
　　RUSH3D系統(tǒng)對病毒感染后的免疫反應
　　
　　以及急性腦損傷修復過程等的全景式捕捉
　　
　　都展現(xiàn)出這一革命性工具的巨大潛力
　　
　　急性腦損傷后全皮層范圍單細胞水平免疫反應
　　
　　與此同時
　　
　　一系列科技成果轉化正在進行
　　
　　基于該系列成果的核心專利
　　
　　服務于國產自主可控的
　　
　　具備國際領先性能的
　　
　　高端光學顯微鏡
　　
　　以及其在生命科學等領域的前沿應用
　　
　　并已支撐多家國內高水平科研機構
　　
　　在不同領域開展20余項創(chuàng)新性生命科學研究
　　
　　解讀生命密碼，守護人民健康
　　
　　“要做飛鳥，也要做青蛙”
　　
　　這是戴瓊海常常囑咐同學們的一句話
　　
　　他愿青年科學家
　　
　　既像飛鳥般飛高望遠，瞄準前沿
　　
　　也像青蛙般腳踏實地，探究細節(jié)
　　
　　在交叉創(chuàng)新地帶挑戰(zhàn)困難、開拓未知
　　
　　勇敢地攀登科學的新高峰
　　
　　面向未來
　　
　　戴瓊海團隊探索原創(chuàng)問題的步履不停
　　
　　他們將奮力創(chuàng)造下一個“前所未有”
　　
　　向全人類一次次獻上
　　
　　來自中國科研團隊的“超級”驚喜
　　
　　清華大學自動化系博士后張元龍、深圳國際研究生院博士生王鳴瑞和基礎醫(yī)學院博士生朱齊禹是本次在《細胞》（Cell）所發(fā)表文章《Long-term mesoscale imaging of 3D intercellular dynamics across a mammalian organ》的共同第一作者，清華大學自動化系戴瓊海院士、吳嘉敏副教授，基礎醫(yī)學院郭增才副教授為該文共同通訊作者，郭鈺鐸、劉波、李嘉敏、姚嘯、孔垂、張億、黃予超、祁海參與并作出重要貢獻。該工作得到國家自然科學基金委、國家科技部重點研發(fā)計劃以及清華大學Brain-X項目的大力支持。