填补复杂生命现象介观尺度活体观测的空白——清华大学团队研制成功超级显微镜

来源：光明日报

日前，清华大学戴琼海团队在《细胞》上发表最新工作成果，宣布新一代介观活体显微仪器RUSH3D系统的问世。该仪器的研制与产业化填补了对复杂生命现象在哺乳动物介观尺度活体观测的空白，极大地提升了我国高端科研仪器的研究和应用水平，更为人类探索生命奥秘打开了新的维度，为揭示神经、肿瘤、免疫新现象和新机理提供了新的“撒手锏”，使得我国生命科学家、医学家能够率先使用国产自主高端仪器设备来解决重大基础研究问题。目前，该仪器已支持国内多所高校院所在免疫学、脑科学等领域开展系列创新性研究。

区别于传统光学显微镜聚焦于单个细胞内的物质交互过程，RUSH3D使得研究人员可以首次以全景方式动态观测哺乳动物器官尺度亚细胞精度的组织异质性，在活体组织中原位研究大规模多样化细胞在完整生理与病理过程中的动态交互行为。在兼具厘米级三维视场与亚细胞分辨率的同时，RUSH3D能以20Hz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。相比当前市场上最先进的商业化荧光显微镜，其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，光毒性降低上百倍（有效观测时长提升百倍）。这一前所未有的时空跨尺度成像能力，为复杂生物过程研究提供了全新视角。

细胞是生命活动的基本单位。人体内每时每刻都在上演着大量不同类型细胞间交互作用所形成的“交响曲”。然而，在这一连接微观与宏观之间的介观尺度上，却存在巨大的技术空白，使得当前研究难以在哺乳动物的活体环境器官尺度下同时观测大量细胞在不同生理与病理状态下的时空异质性，极大限制了脑科学、免疫学、肿瘤学、药学等学科的发展。

“仅以脑科学为例，大量神经元间的相互连接和作用涌现出如智能、意识等功能，厘清神经环路的结构和活动规律是解析大脑工作原理的必由之路。然而具备单神经元识别能力的传统显微镜往往只具备毫米级视场，仅能覆盖小鼠单个或几个脑区实现单个平面的神经信号动态记录；功能核磁虽然能够实现三维全脑范围观测，但空间分辨率却远不足以识别单细胞。”中国工程院院士、清华大学自动化系教授戴琼海介绍，对于肿瘤学而言，同样只有兼具大视场与高分辨才能全景式捕捉肿瘤发生发展的完整过程，才能更精准地研究不同药物反应，发现新的药物靶点。

瞄准这一国际前沿难题，戴琼海团队早在2013年就在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目的支持下，在国际上率先开展介观活体显微成像领域研究，并于2018年成功研制了国际首台亿像素介观荧光显微仪器RUSH，能够同时兼具厘米级视场与亚细胞分辨率。

彼时RUSH系统仍然面临一系列瓶颈，包括如何利用二维传感器实现高速三维成像、如何避免激光长时间照射所引起的细胞损伤（即光毒性）从而实现长时程高速观测、如何克服复杂成像环境导致的光学像差与背景干扰、如何提升弱光条件下的成像信噪比、如何高效处理大规模介观数据等。“每一项技术瓶颈本身都是生物医学成像领域的国际难题，而如何在同一系统上同时解决这些活体成像壁垒，是一个更为艰巨的挑战。”戴琼海介绍。

此后6年间，团队持续攻关，先后提出扫描光场成像原理、数字自适应光学架构、虚拟扫描算法、共聚焦扫描光场架构、自监督去噪算法等关键理论与技术，逐一解决了介观活体显微成像中一系列壁垒，相关成果发表于《细胞》《自然》等国际期刊，为新一代介观活体显微仪器研发奠定了基础。

清华大学自动化系副教授吴嘉敏介绍，该团队利用RUSH3D在脑科学、免疫学、医学与药学等多学科展示了令人瞩目的成果，如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等，“这些初步实验虽然仅展现了RUSH3D应用的冰山一角，但充分展示了其为神经科学、免疫学、药学等领域前沿研究所带来的广阔应用前景”。