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中国科学家打造世界独一无二显微镜 助力脑科学、癌症研究

发布时间:2022/11/17 9:39:37编辑:Ma Liang
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清华大学自动化系博士生导师吴嘉敏在调节多维多尺度计算摄像仪器的光学系统(2021年5月摄)。新华社发(清华大学成像与智能技术实验室供图)

大脑如何产生意识?肿瘤如何发生转移?吴嘉敏希望自己参与研制的世界上独一无二的显微镜,帮助人类揭开大脑的奥秘,并攻克癌症、阿尔兹海默症、帕金森病、癫痫等疾病。

这位年仅30岁的清华大学自动化系博士生导师研究的方向横跨了信息学、光学和生命科学。他近年参与研制的一系列多维多尺度计算摄像仪器被称为“上帝视角”的显微镜,让科学家第一次可以在哺乳动物体内研究大规模细胞之间的交互作用,相关科研成果刊登在《自然》《细胞》等国际权威学术期刊。

在清华大学成像与智能技术实验室,遮光帘幕下露出稀奇古怪的复杂零件,布满整个桌台。这是目前世界上唯一能够实现小鼠全脑范围亚细胞分辨率动态观测的设备,是研究神经回路工作机理与大范围肿瘤转移机制的利器。利用这一特殊的显微镜,科学家在2021年4月首次实现了在小鼠活体连续6个小时以上的毫秒级亚细胞分辨率三维动态观测。

吴嘉敏介绍,以往生命科学研究大部分局限于体外观测,活体内观测常常面临很大的挑战。由于缺少从细胞到组织再到器官这一介于微观与宏观之间的介观尺度活体观测能力,极大限制了生命科学的进展。

“以脑科学为例,大脑有意识,能够做出认知决策,但大脑每个神经元不具备这样的功能。神经元之间到底是怎么联系的?为什么能产生这种群体行为的功能?我们对单个神经元的结构已经很了解了,但如果观察不到神经元之间的大规模相互作用,就无法从整体系统的角度去研究整个功能性的连接过程。”吴嘉敏说。

清华大学自动化系博士生导师吴嘉敏在测试计算摄像编码光照系统(2019年1月摄)。新华社发(清华大学成像与智能技术实验室供图)

要观察大量神经元的相互作用,就要求成像系统既能覆盖很大的视野范围,同时具备很高的分辨率,能够看清单个神经元的动态变化。“这就如同在巨大的体育馆内去追踪几百万甚至几千万个乒乓球的高速运动。”吴嘉敏说。

“另外,活体内观测会受到非常多干扰,比如我在说话时,抖动非常剧烈,这为高速三维成像带来巨大挑战。”传统光学仪器是为人眼设计的,但吴嘉敏运用信息学技术,专为机器设计“眼睛”,借鉴了昆虫复眼精细的振动结构,把庞大复杂的成像问题拆分成一系列并行的小问题,改变了传统光学设计的理念。

他提出了数字自适应光学技术,能以前所未有的精度记录空间中每一条光线的信息,并在数字世界中重新组织每一条光线,操控光的传播,克服物理世界中光学像差的扰动去恢复足够高的空间分辨率,从而实现了复杂活体环境中的高分辨率高速三维观测。

清华大学的研究人员利用该仪器在国际上第一次实现了清醒小鼠全脑皮层范围内亚细胞分辨率的动态观测;第一次在哺乳动物体内观测到癌细胞转移时产生迁移体的亚细胞级动态变化。

吴嘉敏介绍,在癌症治疗研究方面,该技术可帮助临床医生在肿瘤切除手术中,实时快速判断是否切除干净,也可帮助科学家大范围观测肿瘤转移的过程,研究其机制。

这是清华大学科学家利用多维多尺度计算摄像仪器拍摄的小鼠神经图片(2018年3月摄)。新华社发(清华大学成像与智能技术实验室供图)

中国工程院院士戴琼海说,吴嘉敏的工作打开了从系统学角度理解复杂生命活动,在不同生理病理条件下跨尺度变化的大门,有望揭示神经回路、肿瘤转移、免疫反应新机理。

吴嘉敏说,研制的起始阶段非常艰辛,如《桃花源记》中一样,经过幽深的小径才突然豁然开朗,像打开一个新世界。“当我们有了新工具,就能看到以往从未见过的‘世界’,研究以前无法解答的问题。希望这能给生命科学家一些新的理解,产生新的思路和研究方法。”

他崇拜发现DNA双螺旋结构的弗朗西斯·克里克。这位原本研究X射线衍射的科学家把新的工具用到生命科学领域,带来了重大突破。“我们也想做类似的事情。”

他说,光学是非常古老的学科,信息科学的出现给光学带来很大改变。在学科大交叉的时代,需要不断跨入新的领域。吴嘉敏说:“我做研究很大程度是受好奇心驱动,希望可以做独特的事。”
吴嘉敏希望不断提高活体介观显微成像性能,看得更广、更清晰、更快,捕捉到更多现象,并能让新技术得到广泛应用。目前该团队已将显微成像仪器从铺满一张桌台缩小到一个鞋盒大小。这一系列仪器已在支持清华、北大、301医院等20项创新性科学研究。

该团队已成立产业化公司,将数字自适应光学技术应用在手机成像、自动驾驶三维感知等领域。此外,这一技术还可用于天文望远镜,帮助克服大气湍流对天文成像造成的干扰,实现大范围高分辨率的观测。
 

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(来源: 科技日报 )

标签:体视显微镜,拉曼光谱显微镜,金相显微镜

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