清華大學(xué)科研團(tuán)隊研發(fā)新型超級顯微鏡

從清華大學(xué)獲悉：9月13日，清華大學(xué)自動化系教授、中國工程院院士戴瓊海團(tuán)隊在國際頂尖期刊《細(xì)胞》（Cell）發(fā)表最新工作，宣布新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D問世。

該儀器具有跨空間和時間的多尺度成像能力，填補(bǔ)了當(dāng)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，為揭示神經(jīng)、腫瘤、免疫新現(xiàn)象和新機(jī)理提供了新的“殺手锏”，使我國生命科學(xué)家、醫(yī)學(xué)家能夠率先使用我國自主高端儀器設(shè)備來解決重大基礎(chǔ)研究問題。

RUSH3D突破一系列技術(shù)壁壘

研究團(tuán)隊介紹，在兼具厘米級三維視場與亞細(xì)胞分辨率的同時，該儀器能以20Hz的高速三維成像速度實(shí)現(xiàn)長達(dá)數(shù)十小時的連續(xù)低光毒性觀測。相比當(dāng)前市場上最先進(jìn)的商業(yè)化熒光顯微鏡，該儀器在同樣分辨率下的成像視場面積提升近百倍，三維成像速度提升數(shù)十倍，有效觀測時長提升上百倍。這一前所未有的跨空間和時間的多尺度成像能力，為復(fù)雜生物過程研究提供了全新視角。區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡聚焦于單個細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)交互過程，該儀器使得研究人員可以首次以全景方式動態(tài)觀測哺乳動物器官尺度細(xì)胞精度的組織異質(zhì)性，在活體組織中原位研究大規(guī)模多樣化細(xì)胞在完整生理與病理過程中的動態(tài)交互行為。

小鼠全腦皮層范圍三維神經(jīng)成像

目前，研究團(tuán)隊利用RUSH3D系統(tǒng)在腦科學(xué)、免疫學(xué)、醫(yī)學(xué)與藥學(xué)等多學(xué)科產(chǎn)出一系列成果。例如，首次在活體小鼠上以單細(xì)胞分辨率實(shí)現(xiàn)了覆蓋大腦皮層2/3層的高速長時程三維觀測，捕捉了多感官刺激下皮層各腦區(qū)的各異性響應(yīng)模式，能夠連續(xù)多天以單神經(jīng)元精度追蹤大規(guī)模神經(jīng)響應(yīng)；首次觀測到急性腦損傷后多腦區(qū)的免疫反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)大量中性粒細(xì)胞從非血管區(qū)域往腦內(nèi)的遷移與回流過程；首次在小鼠免疫反應(yīng)過程中同時觀測到了淋巴結(jié)內(nèi)多個生發(fā)中心的形成過程，以及T細(xì)胞在不同生發(fā)中心之間的遷移現(xiàn)象。

急性腦損傷后全皮層范圍單細(xì)胞水平免疫反應(yīng)

“這些初步實(shí)驗(yàn)僅是RUSH3D應(yīng)用的冰山一角，展示了其為神經(jīng)科學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域前沿研究所帶來的廣闊應(yīng)用前景�！毖芯繄F(tuán)隊負(fù)責(zé)人表示，該儀器的研制與產(chǎn)業(yè)化填補(bǔ)了對復(fù)雜生命現(xiàn)象介觀尺度活體觀測的空白，標(biāo)志著我國在活體介觀顯微成像領(lǐng)域持續(xù)引領(lǐng)國際發(fā)展，極大提升了我國高端科研儀器的研究和應(yīng)用水平，為人類探索生命奧秘打開了新的維度。

成果的取得，離不開“十年磨一劍”的努力。

記者獲悉，戴瓊海團(tuán)隊自2013年起率先開展介觀活體顯微成像領(lǐng)域研究，2018年成功研制出當(dāng)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。

此后6年間，戴瓊海院士帶領(lǐng)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，瞄準(zhǔn)活體介觀顯微成像高峰，持續(xù)攻關(guān)國際前沿難題，先后提出掃描光場成像原理、數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)、虛擬掃描算法、共聚焦掃描光場架構(gòu)、自監(jiān)督去噪算法等關(guān)鍵理論與技術(shù)，逐一解決了介觀活體顯微成像中一系列壁壘，為新一代介觀活體顯微儀器奠定了基礎(chǔ)。

目前，在成果轉(zhuǎn)化方面，團(tuán)隊系列研究成果已支撐多家國內(nèi)高水平科研機(jī)構(gòu)在腫瘤學(xué)、免疫學(xué)、腦科學(xué)等不同領(lǐng)域開展了20余項(xiàng)創(chuàng)新性生命科學(xué)研究，服務(wù)于生物制藥領(lǐng)域。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.026