创造数个国际之最 超级显微镜探索大脑奥秘

来源:中央纪委国家监委网站

中央纪委国家监委网站 王珍

团队成员在实验前对仪器进行调试。

清醒小鼠在气流刺激胡须下的全脑结构—功能成像。（清华大学成像与智能技术实验室供图）

当一段音乐响起，大脑中哪些神经元会活跃起来？又是哪些神经环路在起作用？

中风前后，脑血管中免疫细胞流量有何变化？

癫痫的病理发生机制是什么？

近日，记者走进清华大学成像与智能技术实验室，探访如何通过显微仪器多维度、多尺度探索大脑的奥秘。

据了解，清华大学成像与智能技术实验室戴琼海团队于2018年研制出高分辨光场智能成像显微仪器（英文简称RUSH）。该仪器在国际上首次实现音乐刺激下清醒小鼠全脑皮层范围神经网络活动的高速成像，使得上述问题在实验动物身上得到更深一步的研究。

仪器是科学研究的“先行官”。可以说，该仪器的诞生带来一系列连锁反应，极大促进了脑科学的研究与发展，并有助于推动人工智能的发展。

如今，RUSH仍然是国际上视场最大、数据通量最高的介观光学显微仪器，它也因此被称为“超级显微镜”。

1 超大体积 占用三个房间，仪器主体有一人多高

5月13日下午，在位于清华大学主楼7层的成像与智能技术实验室里，记者见到了这台创造了数个国际之“最”的显微仪器，“大”是记者的第一感受。

不同于那些可以“拿起来就走”的传统显微镜，这台“超级显微镜”包含了3000多个自主设计、国内生产的光学、机械、电子部件，仅主体部分就要单独占用一个房间。

房间内，两个长约2.5米、宽约1.5米的实验台呈90度直角放置，上面分别架设着一个一人多高的黑色金属外壳。“这是为了防止实验过程中可能出现的光线干扰等。”仪器研发团队成员、清华大学自动化系副研究员范静涛告诉记者，进行实验时，该房间温度、湿度、洁净度等都有严格的控制标准。

掀开一侧的金属外壳，记者看到，一个实验台上架设着显微仪器的物镜系统、光源系统和成像系统，另一个实验台上架设着另外一组照明系统。

物镜系统相当于相机的镜头。RUSH的物镜体积非常大。普通光学显微镜的物镜比一节一号电池略小，而RUSH的物镜体积是普通光学显微镜的900倍。物镜下是一个六足的六自由度位移台，拍摄对象就是固定在这里。

“两组光源系统通过数字计算可进行一系列反射、折射，为拍摄小鼠大脑照明，相当于拍摄时的灯光，确保每一个角落都能被看清。”据范静涛介绍，得益于此，该仪器可以实现空间维度、光谱维度等多维度智能成像。

仪器中很多部件都是柔性的，研究人员可以根据实验需求进行自由组合。

在仪器旁边的桌子上，放置着几台电脑。“这一台是仪器的控制系统，比如这个位移台怎么移动、什么时候开始拍、什么时候停止，等等，都通过这台电脑操纵。”范静涛指着其中一台电脑告诉记者。说罢，他又指着另一台电脑说：“这一台是显示系统，拍摄的画面可以在这个屏幕上实时显示。”

然而，这个在记者眼中已觉十分庞大的主体部分却是该仪器中最小的一块。据介绍，RUSH整体共占了三个房间，除了显微仪器主体外，冷却机、数据计算和存储平台还分别占用了一个房间。

在水冷机房，记者看到了4台冷却机。据介绍，仪器工作时会发热，要想持续获得比较好的成像质量，温度控制十分重要。“通常是控制在10摄氏度左右，靠的就是这4台冷却机，它们通过管线与像感器相连接，借助流水带走热量。”范静涛告诉记者。

水冷机房隔壁的隔音玻璃房，就是数据计算和存储机房。这是RUSH最大的一部分，占地约50平方米。

2 超宽视场 兼顾厘米级视场和百纳米分辨率，既“看得宽”又“分得清”

在生活中，一平方厘米对于我们而言，很小，只有指甲盖般大小。但在脑科学领域，一平方厘米却很大，大到可以覆盖小鼠全脑皮层，拥有成百上千亿个神经元。

借助RUSH，研究人员可以看到小鼠全脑皮层范围的单个神经元，从而揭示其神经网络的活动规律。也就是说，该仪器既可看“点”、又可观“面”，既可观测细节、又可观测系统，这奠定了RUSH视场最大介观光学显微仪器的国际地位。

脑是人类认识自然的“最后疆域”，揭示神经环路的活动规律是了解脑结构和高级功能的必由之路。然而，大脑有成百上千亿个神经元，每个神经元又包含千余个信息收发分支，由于观测仪器的制约，无法获得观测对象的活体全脑高分辨率动态成像数据，数十年始终制约着相关研究取得重大突破。

传统的微观电镜成像，可以观测到神经细胞的精细结构，但无法实现活体观测；宏观功能核磁可以观测动态脑区级功能活动，但因为分辨率不够高，看不到神经细胞。因此，戴琼海团队一开始便瞄准了“介观尺度高通量显微仪器”这一研究方向，目标是实现超宽视场、超高分辨率、超快成像速度，要看得宽、分得清、拍得快、存得下。基于实验动物小鼠大脑直径1厘米、神经元结构微米级、神经活动毫秒级的特性，研发团队将视场和分辨率目标分别设为厘米级、亚微米级。

要攻克的首要难题是解决视场与分辨率之间相互制约的固有矛盾。

“以传统显微镜为例，当我们想要看得清的时候，观测范围势必很小；当我们想要大视野范围时，又要牺牲掉分辨率。”范静涛告诉记者，导致这种矛盾出现的原因是，现有成像仪器是在“物面和像面均为平面”的前提下进行设计的。实际上，平面物体的理想光学成像是曲面的，且视场越大，像面弯曲程度越高。为了配合平面成像传感器，校正像面弯曲会使得周边变“虚”。

团队另辟蹊径自行设计了适应像面弯曲的宽视场物镜系统，提高了光学信息的获取能力。这一独创设计正是RUSH仪器能兼顾“看得宽”与“分得清”的关键。另一方面，通过像感器矩阵实现并行的数据采集、传输、存储与重建，再融合计算照明，使得视场、分辨率、帧率、数据通量综合指标均处于国际领先地位。

“曲面像感器阵列”是一个由多个像感器组成的矩阵，每个像感器对应视场中的不同区块，拍摄曲面中间像中近似平面的一小部分，最终拼接成一个整体显示出来。因其形似，而被团队成员亲切地称为“红烧肉”。

“一代仪器是由35个像感器组成的阵列，二代仪器升级为28个像感器阵列。”范静涛介绍。

2017年诞生的第一代RUSH，视场大小为1厘米×1.2厘米、分辨率为800纳米，每帧图像达到1.69亿像素，也就是说一帧图像可以铺满24个4k电视。目前，第二代RUSH已实现了1平方厘米的视场、近400纳米的分辨率，拍下的每帧图像有3.36亿像素。

3 超高数据通量 相当于一秒钟可下载7部3G大小的电影

RUSH不仅看得宽、分得清，而且还拍得快，是国际上数据通量最高的介观光学显微仪器。“第二代RUSH的数据通量超过了100亿像素/秒，是世界上排名第二的双光子随机扫描显微镜的980多倍。”范静涛告诉记者。100亿像素/秒大概是什么概念？“相当于一秒钟可以下载7部3G大小的高清电影。”

如此惊人的数据通量如何“存得下”？该仪器还有一套专门的数据计算和存储设备集群，单独占用了一个房间。该集群分两侧排列，一侧是计算单元，通过实时计算确定需要保留的数据，并将其储存至另一侧的存储单元，供研究人员随时察看研究。记者了解到，该集群目前可存储11000TB图像信息。

作为目前国际上首次实现小鼠全脑皮层范围神经活动高分辨率成像的仪器，RUSH已经完成许多创新性实验，在生命科学、医学等领域发挥了重要作用。

比如，借助RUSH实现清醒小鼠在气流刺激胡须下的全脑结构和功能成像，研究大脑功能信号和脑血管舒张是否存在关系；多尺度观察小鼠脑部免疫细胞的迁移过程，帮助医学家等研究人体的免疫保护机理；深入探究癫痫病理发生机制；结合人工智能实现脑胶质瘤病理切片原发灶/转移灶高通量瞬拍与分析；打造基于高通量成像的药物筛选平台，加速药物研制；利用RUSH开展神经网络机制研究，为人工智能跨越发展提供新途径……

创新仍在继续！以RUSH为研究起点，清华大学成像与智能技术实验室研发团队已研制出系列仪器。

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清华大学成像与智能技术实验室成立于2001年，专注于前沿交叉领域原始创新，主要是开展光场成像、智能技术、脑与认知科学研究，目前研制出了“两芯一器”，“两芯”是指光电芯片和成像芯片，“一器”就是被称为“超级显微镜”的高分辨光场智能成像显微仪器。

“超级显微镜”的研究背景：

2008年，该研究团队“闭关”，埋头看学术文章、思考、讨论，就是为了搞清楚：下一步，大家到底做什么研究才会真的对人类有贡献？最后他们决定方向之一是往生命科学走，因为这个世纪是生命科学的世纪。

事实上，一直以来，脑科学被视为人类理解自然界现象和人类本身的“终极疆域”，对于提升人类认知水平、脑疾病诊治和人工智能技术发展具有十分重要的意义。近年来，多国纷纷宣布启动脑科学研究，但却缺乏有效的研究仪器——过去，脑观测仪器主要有两个方向：微观仪器能看清神经元，但看不到全脑；宏观仪器能看到全脑，但无法分辨神经元。

经过4年学习、准备，2012年，团队进一步明确，要打造一个介观尺度仪器，在清晰度上尽量向微观靠近，分辨率越高越好；在视场上尽量向宏观靠近，观测范围越大越好，从而为脑科学研究提供观测工具。因为掌握了工具就等于掌握了武器，工具的突破可能带来一系列连锁反应。

2016年，脑科学与类脑研究被列入“十三五”规划。在“十四五”规划中，脑科学与类脑研究再次被列为七大科技前沿领域攻关项目之一。这也证明了该研究方向和研究取得的成果是有意义的。

“超级显微镜”的研发过程：

该仪器的诞生历经很多年。2012年动议研发观测脑皮层神经、肿瘤转移的仪器。2013年，申请自然基金委国家重大科研仪器设备研制专项并获得支持。设计验证、原型验证、元件加工、系统集成……到2017年初，第一代仪器诞生并开始进行生命科学实验。

后来，在实验基础上，团队又进行了设计优化。第二代仪器在2018年底开始进行生命科学实验，视场大小为1厘米×1厘米，分辨率为0.396微米，每帧图像可达3.36亿像素，成像帧率30帧/秒，数据通量可以超过100亿像素/秒。而同一时期，其他国家研制的仪器每秒只能拍到千万像素。

“超级显微镜”为什么叫RUSH：

RUSH取自三个能够描述其特性的英文词组首字母缩写：实时的（Real-time）、极大范围的（Ultra-large-Scale）、高分辨率的（High-resolution）。

“超级显微镜”中的学科交叉：

从研发、制造，到利用仪器产出观测成果，学科交叉合作起了非常大的作用。

该团队里所有人的学术背景都不一样，有学计算机的、有学光电信息技术的、有学脑科学的，等等，而且从事仪器研究的博士生，也要考生物实验的资格证，因为可能会需要用小鼠做实验。

不仅如此，除清华大学外，RUSH的研制单位还包括浙江大学和中科院上海光学精密机械研究所；验证单位包括中国人民解放军陆军军医大学（原第三军医大学）、华中科技大学同济医学院、中科院上海生命科学研究院。正是这些不同背景的科研人员不断碰撞思维、共同合作，才推出了这一创新成果。下一步，他们将继续探索更多创新成果，并着力推动创新成果转化落地。