90后吳嘉敏攻讀博士時，坐了整整5年的“冷板凳”，才在畢業(yè)時發(fā)表了第一篇重要論文。2018年，他跟隨清華大學戴瓊海院士團隊，成功研制了國際首臺億像素介觀熒光顯微儀器RUSH。
這一成果被斯坦福大學教授、美國腦計劃發(fā)起人之一、美國國家科學院院士馬克·施尼策點評道：“這一精心杰作從目前來看，似乎無法同時被大量的神經(jīng)科學實驗室所企及并使用，但將成為未來更廣泛普及的介觀觀測儀器的先驅(qū)?！?/span>
顯微鏡還有改進空間，這個“冷板凳”一坐又是5年多。如今已成為清華大學自動化系副教授的吳嘉敏，參與并見證了RUSH3D——“超級顯微鏡”的誕生。團隊里比吳嘉敏還年輕的95后，成為此論文的第一作者。2024年9月，清華大學戴瓊海團隊在國際學術(shù)期刊《細胞》（Cell）發(fā)表最新成果論文，宣布新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D問世。
至此，“洞見”大腦成為現(xiàn)實。RUSH3D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長時程三維觀測的空白，為揭示神經(jīng)、腫瘤、免疫新現(xiàn)象和新機理提供了新的“利器”。“我們突破了一系列的技術(shù)難題，才形成了新一代介觀活體顯微儀器。”戴瓊海提到，此次研發(fā)的超級顯微鏡可為生物科學家、醫(yī)學家提供工具，為人類發(fā)現(xiàn)腦科學奧秘借出一雙“慧眼”。
戴瓊海團隊成員操作超級顯微鏡。清華大學供圖
戴瓊海團隊研制出的超級顯微鏡。清華大學供圖
從諾貝爾獎里“挖”出的技術(shù)空白
戴瓊海團隊的年輕人都明白：自己要面臨的科研選題是極其“刁鉆”的。用戴瓊海的話來說：“如果當時在世界上，有超過5個團隊去研究此課題，那我們就不必做了?！?/span>
這支團隊里，90后是主力軍。戴瓊海時常跟這些年輕人強調(diào)：“不做添磚加瓦的工作，要做就做原創(chuàng)性的研究?！?/span>
為敲定超級顯微鏡的研究方向，這位60后科學家，召集團隊成員一起細數(shù)歷年諾貝爾獎成果：如1979年諾貝爾生理學或醫(yī)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(yī)學獎成果——核磁共振成像技術(shù)存在“活體大視場、低分辨率”的特質(zhì)，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存在“離體小視場、高分辨率”的特質(zhì)。
“我們發(fā)現(xiàn)，‘活體大視場、高分辨率’的介觀技術(shù)仍然處于空白區(qū)?！眳羌蚊暨M一步解釋，此前顯微鏡設備要么側(cè)重宏觀層面的研究，如醫(yī)院常見的CT等設備，可觀察器官到全身的動態(tài)變化；要么側(cè)重微觀層面的研究，如少量細胞內(nèi)部細胞器或者蛋白的結(jié)構(gòu)與相互作用等。
從諾貝爾獎的成果里，團隊“挖”出了技術(shù)空白區(qū)。若研究視角著眼于“介觀尺度”，那么人體內(nèi)細胞就如同一個個鮮活的個體，無時無刻不在進行著密切的“社交活動”，維系著一整套復雜的生命體系。目前，全球范圍內(nèi)，在連接微觀與宏觀之間的介觀尺度研究中，存在巨大的技術(shù)空白，阻礙了人類進一步感知細胞之間的“信息社會”。
以腦科學的奧秘為例，大量神經(jīng)元間的相互連接和作用是如何產(chǎn)生的，人類意識是如何形成的，腫瘤發(fā)生和變化的全過程是什么……一系列腦科學的秘密都藏在細胞的運動與交互之間。
一旦“洞見”，生命活動的大數(shù)據(jù)將進一步公開。
但觀測并解讀出介觀尺度上細胞的“社交活動”絕非易事。早在2013年，美國“腦計劃”就將“大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡記錄技術(shù)”列為2014財年九大資助領(lǐng)域之一。20多年前，清華大學成立成像與智能技術(shù)實驗室，戴瓊海帶領(lǐng)團隊從事介觀顯微儀器的研究。為破解細胞和細胞之間“密鑰”，歷經(jīng)10年之久，團隊方才實現(xiàn)三代顯微鏡的重大突破。
戴瓊海時常告訴團隊成員，做科研就要做“飛鳥與青蛙”，像青蛙一樣一步一個腳印，做到腳踏實地；又要像飛鳥一樣看見海闊天空，登頂科學之峰。
一雙透視大腦的“上帝之眼”
走進超級顯微鏡的“誕生地”，在一張書桌大小的實驗臺上，“體積輕盈”的RUSH3D被安置于上方。在RUSH3D掃描之下，一只“看電影”的小老鼠，被置于科研人員眼前——進行長時間三維全腦范圍高速成像。在一側(cè)的電腦上，如滿天星辰般點點閃耀，17個小鼠腦區(qū)的神經(jīng)元網(wǎng)絡清晰呈現(xiàn)。
“此前顯微鏡觀測技術(shù)的最大局限，是只能在離體（指游離于生物體外的狀態(tài)，相比于活體而言——記者注）觀測中實現(xiàn)高分辨率，未能實現(xiàn)活體大范圍高分辨率長時程觀測?！眳羌蚊艚忉?，相關(guān)生命科學研究已經(jīng)證明，許多生命現(xiàn)象難以在體外復現(xiàn)，細胞在活體復雜環(huán)境下，受到不同因子與其他細胞的相互作用，往往呈現(xiàn)更復雜的變化。
一個形象的類比是：將細胞看作一個人，在社會中，此人是老師，需承擔教書的職責，而傍晚回家之后，此人又變成了父親，承擔養(yǎng)育孩子的職責。人的角色表現(xiàn)會變，而且人與人之間存在互動、遷移，會產(chǎn)生不同的社會交流活動。
“細胞亦是如此。”吳嘉敏提到，每一個細胞具備獨特性，承擔著不同的功能。細胞并非處于“原地不動”的狀態(tài)，而是會“跨區(qū)”移動。如腫瘤細胞會從原發(fā)灶的位置，轉(zhuǎn)移到身體其他部分，完成復雜多變的遷移活動。
要在活體狀態(tài)下解析細胞的“社交活動”，首先要解決維持高分辨率的難題。以皮膚為例，要透視皮膚里的細胞，則要“擊破”皮膚中的水、油脂等成分造成的散射不均的障礙，還要穿過血管的阻隔，在復雜環(huán)境之中清晰地捕捉細胞活動。
其次，要解決二維成像向三維成像突破的難題。在活體狀態(tài)下，處于運動中的細胞，是三維形態(tài)并且呈現(xiàn)三維分布，一只清醒小鼠的背側(cè)皮層17個腦區(qū)中，存在大規(guī)模三維分布的神經(jīng)元。超級顯微鏡需要完成大面積、立體式“追蹤”，才能實現(xiàn)“看得見”“看得清”“看得全”的目標。
還需要注意的是，活體細胞們往往“身體嬌弱”。在儀器的長時間照射之下，強光會引發(fā)細胞的“高燒”反應，導致細胞無法正常工作，出現(xiàn)大面積死亡。此類問題被科學家們稱之為“光毒性”。
為攻克難題，戴瓊海團隊想出不少“奇招”：改變了傳統(tǒng)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(gòu)，為計算機“讀懂”數(shù)據(jù)設置一套感知系統(tǒng)；針對二維傳感器難以捕捉三維動態(tài)變化的難題，團隊提出了掃描光場成像原理，能夠在實現(xiàn)軸向400微米范圍的高速三維成像的同時，也降低了激光照射對細胞的損傷，讓細胞長時間觀察成為現(xiàn)實；針對活體組織復雜環(huán)境引起的成像難題，團隊提出了基于波動光學的數(shù)字自適應光學架構(gòu)，提升大視場復雜環(huán)境三維成像的空間分辨率以及信噪比。
戴瓊海感慨，正是因為解決了核心難點，攻破了一系列技術(shù)壁壘，這臺超級顯微鏡才得以問世。“科學始于測量?！彼f，這臺儀器將成為揭示生物科學規(guī)律的一把“利器”。
讓我國科學家用上自主研發(fā)的“利器”
打造“利器”的背后，站著一群具備交叉學科背景的95后年輕人：清華大學自動化系博士后張元龍具備豐富的光學知識，可完成光學器件的集成和設計；清華大學深圳國際研究生院博士生王鳴瑞從事關(guān)鍵性計算；清華大學基礎醫(yī)學院博士生朱齊禹完成醫(yī)學實驗驗證。
一群年輕學生和教授們的“戰(zhàn)斗堡壘”，安置在“724辦公室”。他們開玩笑稱，在超級顯微鏡的研制期間，一群人是7天、24小時輪班倒的工作節(jié)奏，也可簡稱“724團隊”。夜里兩三點，“724辦公室”總是燈火通明。有的青年教師在“724辦公室”支上了一張行軍床。
讓95后張元龍印象深刻的是，戴瓊海院士常常教導他們，儀器是解決人類重大需求等科學問題的“先行僧”。作為儀器的研制者，永遠要用極致的手段去打造設備，搭建實驗平臺，才能幫助科學家完成基礎領(lǐng)域的探索。
遇到瓶頸時，95后王鳴瑞偶爾會感到恐懼、焦慮。戴瓊海常鼓勵他們，去跟不同的人交流，獲得靈感，彌補知識不足。
于是，一群年輕人帶著問題去找國內(nèi)頂尖的光學團隊探討，找天文設備的廠商溝通，在醫(yī)院做交流測試?！拔覀兛偸菚M快調(diào)研，通過交叉領(lǐng)域交流的方式去解決世界性的難題?！睆堅堈f。
在這場儀器的攻堅戰(zhàn)中，一系列驗證試驗彰顯了這臺超級顯微鏡的“威力”。
團隊與醫(yī)院合作，借助小鼠活體肝臟的觀察，確定肝臟損傷的靶點；著力研究車禍、墜落等事故造成的急性腦損傷的病癥，觀察急性腦損傷的作用機理，找到抑制炎癥的最佳時間以及最佳位置，減少心腦損傷。
此外，團隊與中醫(yī)院合作，在超級顯微鏡的觀測下，觀察針灸造成的神經(jīng)機制的變化，研究免疫系統(tǒng)的反應，從而找到鎮(zhèn)痛消炎的方法。
一系列大腦疾病問題的研究也找到了思路：腦梗死是如何形成與惡化的，炎癥是在什么時間、哪個部位發(fā)展的……吳嘉敏提到，借助超級顯微鏡，科學家們可以在活體情況下捕捉真實細胞活動，從而構(gòu)建真實的疾病模型，促進醫(yī)學的進步。
更深層的人類智慧的探索，似乎也能從中找到突破口：大腦的意識形成方式、大腦的高效編碼的秘密……吳嘉敏提到，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)神經(jīng)元間的動態(tài)連接與功能，或可揭示意識的生物學基礎、智能的本質(zhì)等人類基本問題，加速對神經(jīng)退行性疾病的研究。
10年間，環(huán)環(huán)相扣、步步深入，這項高?？萍汲晒铀傧颥F(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，為高質(zhì)量發(fā)展注入科技創(chuàng)新的力量。
如今，這臺國產(chǎn)自主可控、具備國際領(lǐng)先性能的高端光學顯微鏡已支撐清華大學、北京大學、北京航空航天大學、華中科技大學附屬同濟醫(yī)院等國內(nèi)高水平科研機構(gòu)在腫瘤學、免疫學、腦科學等不同領(lǐng)域開展了20余項創(chuàng)新性生命科學研究，服務于生物制藥等領(lǐng)域。
十年磨一劍，戴瓊海仍感任務艱巨。他始終記得習近平總書記的重要講話——“要打好科技儀器設備、操作系統(tǒng)和基礎軟件國產(chǎn)化攻堅戰(zhàn)，鼓勵科研機構(gòu)、高校同企業(yè)開展聯(lián)合攻關(guān)，提升國產(chǎn)化替代水平和應用規(guī)模，爭取早日實現(xiàn)用我國自主的研究平臺、儀器設備來解決重大基礎研究問題?！?/span>
