領創北京｜“超級”顯微鏡

戴瓊海（中）、吳嘉敏（右）和團隊成員操作“超級”顯微鏡

　　當一段悅耳的音樂響起，大腦中數以億計的神經元是怎樣迅速活躍起來的？好端端的一個細胞，是如何變異，一步步變成惡性腫瘤的？當病毒侵入人體，免疫系統是如何動員起來打贏健康保衛戰的？

　　透過“超級”顯微鏡，這些有關生命活動的奧秘，徐徐揭開。

　　近期，中國工程院院士、清華大學自動化系教授戴瓊海團隊宣布新一代介觀活體顯微儀器系統“RUSH3D”問世。區別于傳統光學顯微鏡，它擁有前所未有的時空跨尺度成像能力——在連接微觀與宏觀世界的介觀尺度上，首次實現了對哺乳動物活體組織高分辨率、高速、長時間、低光毒性的三維觀測，而且幾乎不破壞細胞活性。這一突破填補了當前國際范圍內對復雜生物過程性研究的觀測空白。

　　為顯微鏡冠名“超級”的這條路，戴瓊海帶領團隊走了20多年。

　　2001年，清華大學成立成像與智能技術實驗室。20多年來，他們基于該平臺在介觀活體顯微成像領域持續深耕，勇闖科研“無人區”，開展了計算攝像、腦科學與人工智能等國際前沿交叉科學的基礎理論與關鍵技術研究。

　　如今，10億像素動態視頻采集、活體全腦神經成像、透過皮膚和血管觀察細胞……這些“瘋狂的想法”，正逐漸成為現實。

　　01 為顯微鏡打開“宇宙視角”

　　走進位于清華主樓三層的自動化系，提神的咖啡香氣撲面而來。剛剛結束一場線上會議的戴瓊海步履匆匆地趕到會議室，為記者詳解了這項顛覆性研究成果——

　　“經過6年持續攻關，我們在介觀活體顯微儀器‘RUSH’的基礎上，終于研發出了新一代介觀活體顯微鏡‘RUSH3D’。它能以20赫茲的高速三維成像速度，實現長達數十小時的連續低光毒性觀測。相比目前市場上最先進的商業化熒光顯微鏡，它在同樣分辨率下的成像視場面積提升近百倍，三維成像速度提升數十倍，光毒性大幅降低。”

　　與6年前發布的“RUSH”相比，“RUSH3D”新在哪兒？戴瓊海從原理講起：以腦科學為例，大量神經元間的相互連接和作用，讓人類涌現出意識，弄清楚神經環路的結構和活動規律，是解析大腦工作原理的必經之路。然而，傳統顯微鏡屬于微觀視角，雖然具備毫米級視場，但是觀測范圍較小，只能做到單個平面的神經信號動態記錄；功能核磁屬于宏觀視角，實現了三維全腦范圍觀測，但空間分辨率低，甚至不能識別單個細胞。

　　處于宏觀和微觀之間的介觀尺度，則可以聚焦細胞及細胞間的運動和相互作用。

　　作為國際上首臺億像素級介觀熒光顯微鏡，“RUSH”同時兼具厘米級視場與亞細胞分辨率，克服了傳統顯微鏡看不全的缺點，讓顯微鏡看得寬、分得清；“RUSH3D”在此基礎上，不僅實現了看得更寬、分得更清，還拍得更快、看得更久。有了這些升級，顯微鏡就如同打開了“宇宙視角”。

　　實驗室里，團隊正利用新一代顯微鏡觀測活體小鼠大腦的細胞活動。一只小鼠被固定在觀測臺上，一旁的電腦屏幕上，小鼠全腦神經元活動的三維影像實時變化著，如滿天星辰般點點閃耀。

　　“這些在血管周圍忽亮忽滅的熒光信號，就是小鼠大腦里密密麻麻的神經元。放大圖像，每個神經元清晰可見；縮小圖像，觀測范圍可達全腦。”清華大學自動化系副教授、團隊成員吳嘉敏說，透過顯微鏡，能清晰地看到小鼠17個腦區的神經元網絡。

　　更難得的是，小鼠即使蹬腿亂動，三維影像仍清晰可見，未曾間斷。

　　許多生命現象難以在體外復現，細胞在活體復雜環境下，往往會呈現更復雜的變化。比如細胞不會一直待在原地不動，像腫瘤細胞就會從原發灶的位置，轉移到身體其他部位，而此前顯微鏡觀測技術的最大局限，就是不能實現活體大范圍、高分辨率、長時程觀測。

　　想要在活體狀態下追蹤細胞的活動，就要解決高分辨率的難題——穿透皮膚細胞，掃除皮膚中水、油脂等造成的散射不均的阻礙，還要穿過血管，在復雜環境中捕捉細胞。難度等同于在巨大的體育館里追蹤幾百萬甚至幾千萬個高速運動的乒乓球。

　　此外，細胞還會重疊，呈現三維形態并且三維分布，因此大面積、立體式的三維成像也必不可少。在儀器的長時間照射之下，強光可能引發細胞的“高燒”反應，導致細胞無法正常工作，出現大面積死亡，這也被稱為“光毒性”。想要長時間觀測活體細胞，必須降低光毒性。

　　……

　　面對重重難題，戴瓊海帶領團隊開展了持續攻關。傳統光學顯微鏡是為人眼設計的，團隊逆向思考，創新性地改變了傳統光學成像“所見即所得”的設計理念，用計算編碼、計算采集等多維多尺度計算架構，為計算機“讀懂”數據設計了一套感知系統，將外部環境因素對觀測的影響降到最低。

　　他們還開發了數字自適應光學技術，克服光學像差的擾動，降低激光照射對細胞的損傷。

　　“RUSH3D”集成了過去6年乃至10多年來一系列的理論和關鍵技術創新，真正實現了整體性能的顛覆性提升。戴瓊海團隊先后提出了掃描光場成像原理、數字自適應光學架構、虛擬掃描算法等多個關鍵理論與技術，相關成果均發表在著名國際期刊上。

　　啃下一個又一個“硬骨頭”，個中艱辛只有團隊成員才能體會。

　　就像《桃花源記》里描述的一樣，走過幽深的小徑，豁然開朗，打開了一個新世界——借助“RUSH3D”這個新工具，科研人員就能看到以往從未見過的世界，研究以前無法解答的問題。

　　02 從諾貝爾獎里“挖”課題

　　自動化系走廊深處的一面墻上，貼滿了密密麻麻的科學公式，公式下面有張小紙條，上面寫著4個字：歡迎指正。這是戴瓊海專門讓人貼上去的，目的是提醒實驗室所有人，要有挑戰權威的勇氣。

　　原始創新，是團隊進步的基石。

　　戴瓊海很明確，所謂原始創新有3個標準：要改變科學研究的路徑、能改變產業發展的方向、可以寫進教科書。他要求實驗室的師生們，必須思考“圖諾問題”——圖靈獎和諾貝爾獎級別的問題。

　　過去100多年間，有20多項諾貝爾獎與腦科學有關，僅僅在醫學影像界，光核磁共振技術就成就了多位諾貝爾獎得主，催生了不少顛覆性研究。

　　戴瓊海帶領團隊反其道而行，往“刁鉆”的角度扎，尋找獎項中的技術空白。用他的話說：“如果當時在國際上，有超過5個團隊正在研究同一個課題，那我們就不必做了！要做就做原創性的研究。”

　　于是，戴瓊海召集團隊成員一起細數歷年來成像領域的重大進展。他們發現，1979年諾貝爾生理學或醫學獎成果——X射線斷層成像儀（CT）以及2003年諾貝爾生理學或醫學獎成果——核磁共振成像技術，都有“活體大視場、低分辨率”的特質；而2014年與2017年諾貝爾化學獎成果——超分辨率熒光顯微鏡與冷凍電鏡等均有“離體小視場、高分辨率”的特質。

　　而在“活體大視場、高分辨率”的介觀尺度領域，世界范圍內的科研成果和重大突破寥寥無幾。

　　以腦科學為例，大量神經元間的相互連接和作用、人類意識的形成、腫瘤發生和變化的全過程……一系列秘密都藏在介觀尺度中，一旦突破，將進一步揭開生命活動的奧秘。

　　2013年，戴瓊海帶領團隊師生對這項從諾貝爾獎里“挖”來的科研課題發起了猛攻。第一個要解決的難題就是視場和分辨率之間相互制約的固有矛盾。

新一代介觀活體顯微儀器系統“RUSH3D”

　　“以傳統顯微鏡為例，當我們想要看得清的時候，觀測范圍勢必很小；當我們想要大視野范圍時，又要犧牲掉分辨率。”吳嘉敏巧妙地比喻了這件事的困難程度，“就像隔著一公里，遠遠觀察螞蟻搬家，需要排除各種環境干擾和設備制約，傳統技術手段很難實現。”

　　通過反復實驗，師生揪出了導致矛盾的原因：現有成像儀器是在“物面和像面均為平面”的前提下進行設計的。實際上，平面物體的理想光學成像是曲面的，而且視場越大，像面彎曲程度越高。為了配合平面成像傳感器，校正像面彎曲會使得成像變虛，分辨率變低。

　　對此，團隊另辟蹊徑設計了一款適應像面彎曲的寬視場物鏡系統，提高了光學信息的獲取能力。該系統通過多角度信息實現大視場、多區域的快速像差矯正，進而在后處理過程中實現完美聚焦，即使在動態復雜的環境中仍能保持較清晰的成像。他們還設計了一組曲面像感器陣列，由多個像感器組成，每個像感器對應視場中的不同區塊，最終拼接成一個整體顯示出來。

　　2018年，戴瓊海團隊成功研制了國際首臺億像素介觀熒光顯微儀器“RUSH”，名字取自英文實時（Real-time）、極大范圍（Ultra-large-Scale）和高分辨率（High-resolution），這三個詞語精準描述了顯微鏡的性能。

　　一年后，經過優化的第二代“RUSH”亮相，每幀圖像分辨率達到3.36億像素，數據通量達到每秒100.8億像素，相當于每秒能傳輸7部高清電影。

　　當時，世界上領先的雙光子大視場隨機掃描顯微鏡剛剛觸及每秒千萬像素的門檻，“RUSH”系列顯微鏡的橫空出世，讓我國在國際腦科學領域實現了“領跑”。

　　最近的“RUSH3D”，不僅兼具厘米級的三維視場與亞細胞分辨率，還能以每秒20幀的速度成像，實現了對細胞和組織內部動態活動的長時間觀察。

　　“如今，我們已經能夠隔著一公里遠的距離，看清毫米尺度的一只螞蟻。”吳嘉敏自豪地說，就算螞蟻不停地移動，成像仍能保持高分辨率。

　　03 磨劍何止十年

　　打造國之利器的實驗室里，有一群具備交叉學科背景的“90后”“95后”年輕科研人員。來自清華自動化系的博士后張元龍掌握豐富的光學知識，能高效完成光學器件的集成和設計；深圳國際研究生院博士生王鳴瑞等負責關鍵性計算工作；基礎醫學院教授郭增才的博士生朱齊禹等從事醫學實驗驗證工作……

　　盡管日常工作以設備研發為主，但他們大多持有生物實驗資格證，為小鼠動手術是基本功，還有人用魚缸認真培養水母。近年來，團隊幾乎每個科研項目都調動了清華自動化系、電子工程系、精密儀器系、醫學院、藥學院、生命科學學院等多方力量參與，合作范圍更是遠不止在校內。

　　戴瓊海雖是“60后”，卻和團隊里的年輕人一樣拼。“晚上10點、12點，凌晨2點、4點都收到過戴老師的微信，有了奇思妙想馬上問我們：‘有空嗎’？”有學生說，因為成像儀器的研發需要精密而持續的測量和驗證，所以夜晚的實驗室也總是燈火通明。

　　這間成像與智能技術實驗室位于自動化系樓上的724、725房間。長久以來，師生間流傳著對這兩個房間號的勵志解讀：724，就是抓緊每周7天、每天24小時；725，則要在此基礎上，把24小時當成25小時來過。

　　看似玩笑話，其實是師生們多年攻關的真實寫照。

　　面對團隊里的新生力量，戴瓊海喜歡用數學家弗里曼·戴森提出的“飛鳥與青蛙”的比喻來教導學生——“先做青蛙，再做飛鳥”，先安心聚焦一個問題，像青蛙一樣專注探索特定問題的細節；再去培養研究前沿問題的能力，像飛鳥一樣視野開闊。他希望，團隊里走出的科研人員能以國際前沿和國家重大需求為重，胸懷寬、境界高、眼光遠。

　　正如戴瓊海所期盼的那樣，實驗室里年輕一代的成果，獲得了國際學術界的關注和肯定。

　　目前，團隊利用“RUSH3D”在腦科學、免疫學、醫藥學等多學科領域產出了令人矚目的成果：首次在活體小鼠上以單細胞分辨率，實現了覆蓋大腦皮層2/3層的高速長時程三維觀測；捕捉了多感官刺激下皮層各腦區的各異性響應模式，能夠連續多天以單神經元精度追蹤大規模神經響應；首次觀測到了急性腦損傷后多腦區的細胞級免疫反應，發現大量中性粒細胞從非血管區域往腦內的遷移與回流過程……

　　“當前的成果僅僅展現了這臺‘超級’顯微鏡應用的冰山一角，應用前景非常廣闊。”戴瓊海自信地說，目前已在清華大學的支持下成立了國產自主先進顯微儀器公司，致力于研發和生產國產自主可控、具備國際領先性能的高端光學顯微鏡，探索其在生命科學、藥學等領域的前沿應用。相關成果正在支撐北京大學、北京航空航天大學、北京師范大學、同濟醫院等國內高水平科研機構，在腫瘤學、免疫學、腦科學等不同領域開展20余項創新性生命科學研究。

　　盡管已經和“RUSH”系列顯微鏡相處10多年，但每次在鏡頭前操作，師生們總會有一種新奇感：“世之奇偉、瑰怪，非常之觀，常在于險遠，而人之所罕至焉。”

　　如今，戴瓊海依然帶領著團隊，走在這條人跡罕至的路上。

　　前方，生命活動的奧秘散發著耀眼的光芒，召喚他們堅定向前。