十年磨一剑！这位党派成员领衔，新一代“超级显微镜”问世

9月13日，清华大学自动化系戴琼海院士、吴嘉敏副教授，基础医学院郭增才副教授作为共同通讯作者在《细胞》Cell上发表了《Long-term mesoscale imaging of 3D intercellular dynamics across a mammalian organ（长时程活体介观成像完整记录哺乳动物器官尺度的三维细胞交互行为）》，宣布了新一代介观活体显微仪器RUSH3D的问世。

论文发表页截图

据悉，RUSH3D能够以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，相比于目前市场上最先进的商业化转盘共聚焦显微镜而言，其在同样分辨率下的成像视场面积提升了近百倍，三维成像速度提升了数十倍，有效观测时长提升了上百倍。这一前所未有的跨空间和时间的多尺度成像能力，为复杂生物过程的研究提供了一个全新的视角。通过该系统，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细胞精度的组织异质性，从而为活体大规模多样化细胞间的交互行为研究打开了大门。

图为RUSH3D

团结君注意到，论文通讯作者之一戴琼海是一位民革党员。戴琼海生于1964年12月，2018年6月加入民革，现为民革中央常委、民革中央教科卫体委员会副主任、民革北京市委会副主委，中国工程院院士，清华大学信息科学技术学院院长、自动化系教授，中国人工智能学会理事长，国务院参事。

戴琼海

十年磨一剑，出鞘必锋芒。团结君了解到，戴琼海院士团队早在2013年就获得了国家自然科学基金委员会重大科研仪器研制项目支持，在国际上率先开展了介观活体显微成像领域的研究；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，填补了国际介观显微成像仪器在肿瘤和免疫研究中的空白。本次问世的RUSH3D正是在RUSH基础上的再突破、再提升，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。

图为RUSH3D成像效果

让我们一起来看看RUSH3D的非凡之处！

科学仪器是人类认识世界，探索未知的重要工具。仪器创新是科学突破的重要基石，也是我国迈向世界科技强国道路，发展新质生产力的重点领域。

X射线衍射（1914，1915年诺贝尔物理学奖），超分辨率荧光显微镜（2014年诺贝尔化学奖）与冷冻电镜（2017年诺贝尔化学奖）等技术使得人们能够以前所未有的精度研究单个细胞内不同蛋白、细胞器等物质的结构与功能，极大地推动了生命科学与医学的发展，但却始终只能覆盖很小的视野范围，如同管中窥豹般难以在活体环境下对大量细胞进行动态观测。

CT成像（1979年诺贝尔生理学或医学奖）与磁共振成像（2003 年诺贝尔生理学或医学奖）能够提供极大的成像视场，在活体的宏观尺度下研究不同器官的异质性，已经广泛应用于临床医学领域，为人类生命健康作出了突出贡献，但其成像精度却远远难以达到单细胞尺度。

细胞是生命活动的基本单位。每时每刻，人体内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，极大地限制了脑科学、免疫学、肿瘤学、药学等学科发展。

图1: 活体介观成像的技术空白

“一直以来，活体介观显微成像处于空白。”吴嘉敏说。2012年，戴琼海决心带领团队突破这个难题。“戴老师鼓励我们目光放长远，我们做这个仪器就要向诺奖级的重大原始创新成果看齐。”吴嘉敏说。

尽管2018年成功研制的RUSH被国际同行誉为介观显微成像领域的先驱，但是由于仪器复杂昂贵，在当时仅能被少数科学家使用。与此同时，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的观测；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；等等。

在之后的6年里，戴琼海院士带领的成像与智能技术实验室，瞄准活体介观显微成像的高峰，攻坚克难，持续攻关这些国际前沿难题，先后提出了扫描光场成像原理，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，相关成果均发表于Cell、Nature、Nature Biotechnology、Nature Methods等国际期刊，逐一解决了介观活体显微成像中一系列壁垒，为新一代介观活体显微仪器RUSH3D的问世奠定了基础。

RUSH3D在初步实验中取得了多个“首次”突破——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层的高速三维观测；首次观测到了急性脑损伤后多脑区的免疫反应；首次在小鼠免疫反应过程中同时观测到了淋巴结内多个生发中心的形成过程；等等。“这些初步实验充分展示了RUSH3D为神经科学、免疫学、肿瘤学、药学等领域的前沿研究所带来的广阔应用前景。”戴海琼说。