超級顯微鏡“上新” 大腦活動看得清

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日前，中國工程院院士、清華大學(xué)自動化系教授戴瓊海團隊的研究成果——新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D問世。這臺儀器可以“看穿”大腦，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(nèi)對哺乳動物介觀尺度活體三維觀測的空白，同時為揭示神經(jīng)、腫瘤、免疫新現(xiàn)象和新機理提供了新的“殺手锏”。相關(guān)研究刊發(fā)于國際學(xué)術(shù)期刊《細胞》。

通過這臺超級顯微鏡可以看到什么，又能幫助人類解決哪些重大基礎(chǔ)研究難題？科技日報記者采訪了戴瓊海院士團隊。

兼具厘米級視場與亞細胞分辨率

細胞是生命活動的基本單位。每時每刻，人體內(nèi)都在上演著大量不同類型細胞間交互作用所形成的“交響曲”。

“在這一連接微觀與宏觀之間的介觀尺度上，存在巨大的技術(shù)空白，使得當前研究難以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(zhì)性，這極大限制了腦科學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科發(fā)展?！鼻迦A大學(xué)自動化系副教授吳嘉敏說。以腦科學(xué)為例，大量神經(jīng)元間的相互連接和作用涌現(xiàn)出如智能、意識等功能，厘清神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)和活動規(guī)律是解析大腦工作原理的必由之路。然而，具備單神經(jīng)元識別能力的傳統(tǒng)顯微鏡往往只具備毫米級視場，僅能覆蓋小鼠單個或幾個腦區(qū)，實現(xiàn)單個平面神經(jīng)信號動態(tài)記錄；功能核磁雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三維全腦范圍觀測，但空間分辨率卻遠不足以識別單細胞。

瞄準這一國際前沿難題，戴瓊海院士團隊在2013年率先開展介觀活體顯微成像領(lǐng)域研究，并在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，這臺儀器兼具厘米級視場與亞細胞分辨率。

然而，RUSH系統(tǒng)仍面臨一系列瓶頸，且每一項技術(shù)瓶頸本身都是生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的國際難題，在同一系統(tǒng)上同時解決這些活體成像問題極具挑戰(zhàn)。

RUSH3D的問世，使得上述難題迎刃而解。吳嘉敏介紹說，RUSH3D能以20Hz的三維成像速度實現(xiàn)長達數(shù)十個小時的連續(xù)低光毒性觀測。它不僅“分得清”，還“看得更全”“拍得更快”“看得更久”。

突破傳統(tǒng)光學(xué)成像系列物理瓶頸

“做基礎(chǔ)研究，就是要有敢于做顛覆性科研的勇氣?！贝鳝偤Ｕf，過去十多年來，科研團隊持續(xù)進行一系列的理論和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，從而實現(xiàn)了儀器整體性能的顛覆性提升。

吳嘉敏介紹說，該成果的創(chuàng)新點，即提出一系列計算成像方法，在同一技術(shù)架構(gòu)上，同時解決了一系列活體成像難題，從而解決視場、分辨率、三維成像速度、光毒性之間的固有矛盾。計算成像的核心理念是改變傳統(tǒng)光學(xué)成像“所見即所得”的設(shè)計理念，利用計算編碼、計算采集等多維尺度計算架構(gòu)，實現(xiàn)對高維光場的超精細感知與融合，為機器設(shè)計更好的感知系統(tǒng)，從而突破傳統(tǒng)光學(xué)成像的一系列物理瓶頸。

吳嘉敏進一步解釋道，針對二維傳感器難以捕捉三維動態(tài)變化的難題，團隊提出掃描光場成像原理，在實現(xiàn)軸向400微米范圍高速三維成像的同時，大幅降低激光照射對細胞的損傷。

針對活體組織復(fù)雜環(huán)境引起的光學(xué)像差降低系統(tǒng)成像分辨率與信噪比這一難題，團隊提出基于波動光學(xué)的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，即無須在光學(xué)系統(tǒng)中增加額外波前傳感器或者空間調(diào)制器，在后端就可完成大視場多區(qū)域自適應(yīng)光學(xué)像差矯正，從而提升大視場復(fù)雜環(huán)境三維成像的空間分辨率，以及信噪比。這一設(shè)計使得儀器僅需常規(guī)尺寸物鏡，就能有效克服空間非一致的系統(tǒng)像差和樣本像差難題，實現(xiàn)全視場內(nèi)均一高空間分辨率的十億像素成像，顯著降低介觀成像系統(tǒng)尺寸與成本。

獲得一批“國際首次”觀測成果

“優(yōu)化科學(xué)研究的路徑與產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，推動科學(xué)進步、人民幸福，是我們始終堅持的奮斗目標?！贝鳝偤Ｕf。

目前，已有多個交叉研究團隊利用RUSH3D在腦科學(xué)、免疫學(xué)、醫(yī)學(xué)與藥學(xué)等多學(xué)科，獲得一批“國際首次”觀測成果。

“在腦科學(xué)方面，RUSH3D通過其跨時空的多尺度成像能力，極大拓寬了科學(xué)家對大腦的認知?！眳羌蚊艚榻B說。

大腦皮層的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)被認為是高等動物神經(jīng)系統(tǒng)中十分重要而又復(fù)雜的信息處理中心，是產(chǎn)生生物智能乃至意識的關(guān)鍵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。然而，由于觀測技術(shù)限制，目前大部分研究只能同時記錄實驗動物中一個或幾個皮層區(qū)域的神經(jīng)元活動，難以進一步研究皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合動態(tài)變化。

通過RUSH3D大視場、三維高分辨率、高幀率的成像優(yōu)勢，交叉團隊開創(chuàng)性實現(xiàn)對頭固定狀態(tài)下清醒小鼠背側(cè)皮層17個腦區(qū)中十萬量級大規(guī)模神經(jīng)元的長時間高速三維記錄，并且能夠?qū)ν蝗荷窠?jīng)元多天連續(xù)追蹤。運用該系統(tǒng)，研究人員證實了響應(yīng)感覺刺激，調(diào)控運動的神經(jīng)元并非只存在于單一感覺皮層、運動皮層，而是廣泛存在于皮層各個區(qū)域，但各個區(qū)域神經(jīng)元對感覺信息編碼、整合、區(qū)分的能力存在差異?？蒲腥藛T進一步發(fā)現(xiàn)，自發(fā)運動行為發(fā)起時，小鼠皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)采用由尾側(cè)向鼻側(cè)傳導(dǎo)的發(fā)放模式。這一結(jié)果提示，視覺、觸覺等感覺皮層神經(jīng)元的信息整合和全皮層范圍信號擴散，可能是引起自發(fā)運動的關(guān)鍵因素。

吳嘉敏說，在此基礎(chǔ)上，RUSH3D有望首次實現(xiàn)解析全背側(cè)皮層的介觀腦功能圖譜，通過捕捉大腦內(nèi)的成百上千萬神經(jīng)元間的動態(tài)連接與功能，揭示意識的生物學(xué)基礎(chǔ)、智能的本質(zhì)等基本問題，推動對神經(jīng)退行性疾病的研究，還有望推動腦啟發(fā)的人工智能發(fā)展。