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　　細(xi)胞是(shi)生(sheng)命活動(dong)的(de)(de)(de)(de)基(ji)本單(dan)(dan)位(wei)。每時(shi)每刻，人體內都在(zai)上(shang)演著大(da)(da)量(liang)(liang)不(bu)同類型(xing)細(xi)胞間(jian)交互(hu)作(zuo)(zuo)用所形成的(de)(de)(de)(de)交響(xiang)曲。然而(er)，在(zai)這一連(lian)接微觀與宏觀之間(jian)的(de)(de)(de)(de)介觀尺度上(shang)，卻(que)存在(zai)巨(ju)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)技術(shu)空(kong)白，使得(de)當前研究難以在(zai)哺乳動(dong)物(wu)的(de)(de)(de)(de)活體環境器官尺度下(xia)同時(shi)觀測(ce)大(da)(da)量(liang)(liang)細(xi)胞在(zai)不(bu)同生(sheng)理(li)(li)與病理(li)(li)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)(de)(de)(de)時(shi)空(kong)異質性，極大(da)(da)限制了腦(nao)(nao)(nao)科學(xue)(xue)(xue)、免(mian)疫學(xue)(xue)(xue)、腫瘤(liu)學(xue)(xue)(xue)、藥(yao)學(xue)(xue)(xue)等(deng)(deng)學(xue)(xue)(xue)科發(fa)展。僅以腦(nao)(nao)(nao)科學(xue)(xue)(xue)為(wei)例，大(da)(da)量(liang)(liang)神(shen)(shen)經(jing)元間(jian)的(de)(de)(de)(de)相互(hu)連(lian)接和作(zuo)(zuo)用涌現(xian)出如智能(neng)、意識等(deng)(deng)功(gong)能(neng)，厘清神(shen)(shen)經(jing)環路的(de)(de)(de)(de)結構和活動(dong)規律是(shi)解析大(da)(da)腦(nao)(nao)(nao)工作(zuo)(zuo)原理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)必由(you)之路。然而(er)具(ju)(ju)備單(dan)(dan)神(shen)(shen)經(jing)元識別能(neng)力的(de)(de)(de)(de)傳統顯微鏡往(wang)(wang)往(wang)(wang)只具(ju)(ju)備毫米級視場，僅能(neng)覆(fu)蓋小鼠單(dan)(dan)個(ge)或(huo)幾個(ge)腦(nao)(nao)(nao)區實現(xian)單(dan)(dan)個(ge)平(ping)面(mian)的(de)(de)(de)(de)神(shen)(shen)經(jing)信號動(dong)態(tai)記錄；功(gong)能(neng)核磁雖然能(neng)夠實現(xian)三維全腦(nao)(nao)(nao)范圍觀測(ce)，但空(kong)間(jian)分(fen)辨率(lv)卻(que)遠不(bu)足(zu)以識別單(dan)(dan)細(xi)胞。因此(ci)，2013年啟動(dong)的(de)(de)(de)(de)美國腦(nao)(nao)(nao)計(ji)劃也將“大(da)(da)規模(mo)神(shen)(shen)經(jing)網絡記錄技術(shu)”列為(wei)九大(da)(da)資助領域之一。同樣，對(dui)于(yu)腫瘤(liu)學(xue)(xue)(xue)而(er)言，只有兼具(ju)(ju)大(da)(da)視場與高(gao)分(fen)辨才能(neng)全景式捕(bu)捉(zhuo)腫瘤(liu)發(fa)生(sheng)發(fa)展的(de)(de)(de)(de)完整過(guo)程，從而(er)更精準地研究不(bu)同藥(yao)物(wu)反(fan)應，發(fa)現(xian)新的(de)(de)(de)(de)藥(yao)物(wu)靶點。

　　瞄(miao)準(zhun)這一(yi)(yi)國際(ji)前沿難題，清華(hua)大(da)學(xue)(xue)戴瓊(qiong)海院士團隊早在2013年就(jiu)獲得了國家(jia)自然科學(xue)(xue)基金(jin)委(wei)重大(da)科研儀器研制項目(mu)支持，在國際(ji)上率先(xian)(xian)開展了介(jie)觀(guan)活體顯(xian)微成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)領(ling)域研究，并于(yu)2018年成(cheng)功研制了國際(ji)首臺億(yi)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素介(jie)觀(guan)熒(ying)光(guang)顯(xian)微儀器RUSH，能(neng)夠同(tong)時(shi)(shi)兼具厘米級視場與(yu)亞(ya)細胞(bao)分辨率。盡管這一(yi)(yi)系(xi)統被國際(ji)同(tong)行譽為(wei)介(jie)觀(guan)顯(xian)微成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)領(ling)域的(de)先(xian)(xian)驅(qu)，但是(shi)由(you)于(yu)儀器復雜(za)昂貴，在當時(shi)(shi)僅(jin)能(neng)被少(shao)數科學(xue)(xue)家(jia)使用(yong)。與(yu)此同(tong)時(shi)(shi)，RUSH系(xi)統仍(reng)然面(mian)臨一(yi)(yi)系(xi)列瓶頸，包括：如(ru)(ru)何(he)(he)(he)(he)利用(yong)二(er)維傳感器實現高速(su)(su)三維成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)；如(ru)(ru)何(he)(he)(he)(he)避免(mian)激光(guang)長(chang)時(shi)(shi)間(jian)照射所引起的(de)細胞(bao)損(sun)傷(即光(guang)毒性(xing))從而(er)(er)實現長(chang)時(shi)(shi)程高速(su)(su)觀(guan)測；如(ru)(ru)何(he)(he)(he)(he)克服復雜(za)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)環境導(dao)致的(de)光(guang)學(xue)(xue)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)差與(yu)背(bei)景(jing)干擾；如(ru)(ru)何(he)(he)(he)(he)提升弱光(guang)條件下的(de)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)信噪比；如(ru)(ru)何(he)(he)(he)(he)高效處(chu)理大(da)規模介(jie)觀(guan)數據等(deng)等(deng)。每(mei)一(yi)(yi)項技(ji)術瓶頸本身都(dou)是(shi)生(sheng)物(wu)醫(yi)學(xue)(xue)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)領(ling)域的(de)國際(ji)難題，而(er)(er)如(ru)(ru)何(he)(he)(he)(he)在同(tong)一(yi)(yi)系(xi)統上同(tong)時(shi)(shi)解決(jue)這些活體成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)壁(bi)壘，則變得更(geng)為(wei)挑戰。

　　此后六年間，戴瓊海院士帶(dai)領成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)與(yu)智能(neng)技術(shu)實驗室，瞄(miao)準活體(ti)(ti)介觀(guan)顯微成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)高峰，持續攻關(guan)這些國際前沿難題，先后提(ti)出(chu)掃描(miao)(miao)光(guang)場成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)原理、數字自(zi)適應光(guang)學架構(gou)、虛(xu)擬掃描(miao)(miao)算(suan)法、共聚焦掃描(miao)(miao)光(guang)場架構(gou)、自(zi)監督去噪(zao)算(suan)法等關(guan)鍵理論與(yu)技術(shu)，相關(guan)成(cheng)(cheng)果均(jun)發表(biao)于(yu)《細胞》(Cell)、《自(zi)然》(Nature)、《自(zi)然·生物技術(shu)》(Nature Biotechnology)、《自(zi)然·方法》(Nature Methods)等國際期刊，逐一解(jie)決了介觀(guan)活體(ti)(ti)顯微成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)中一系列壁壘，為(wei)新一代介觀(guan)活體(ti)(ti)顯微儀器奠定了基礎。

圖1.活體(ti)介觀成像的技術空白

　　9月(yue)13日，清華大學戴瓊海(hai)院(yuan)士團隊在(zai)《細(xi)(xi)(xi)胞(bao)》(Cell)發(fa)表最(zui)新工作：長時(shi)程(cheng)活體介(jie)觀成(cheng)像完(wan)整(zheng)記錄哺乳動物(wu)器(qi)(qi)官(guan)尺度的(de)三維(wei)(wei)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)交互行為(Long-term mesoscale imaging of 3D intercellular dynamics across a mammalian organ)，宣(xuan)布了(le)新一(yi)代介(jie)觀活體顯微儀器(qi)(qi)RUSH3D系統的(de)問(wen)世(shi)，在(zai)兼具厘(li)米級三維(wei)(wei)視場與亞細(xi)(xi)(xi)胞(bao)分辨(bian)率(lv)的(de)同時(shi)，RUSH3D能以(yi)20Hz的(de)高(gao)速三維(wei)(wei)成(cheng)像速度實現長達(da)數十小時(shi)的(de)連續低(di)光(guang)(guang)毒(du)性觀測(ce)。相比當前市(shi)場上最(zui)先進的(de)商業化(hua)熒(ying)光(guang)(guang)顯微鏡，其在(zai)同樣分辨(bian)率(lv)下的(de)成(cheng)像視場面積(ji)提(ti)(ti)升(sheng)近百(bai)倍(bei)，三維(wei)(wei)成(cheng)像速度提(ti)(ti)升(sheng)數十倍(bei)，光(guang)(guang)毒(du)性降低(di)上百(bai)倍(bei)(有(you)(you)效觀測(ce)時(shi)長提(ti)(ti)升(sheng)百(bai)倍(bei))。這(zhe)一(yi)前所未有(you)(you)的(de)跨空(kong)間(jian)和(he)時(shi)間(jian)的(de)多尺度成(cheng)像能力，為復(fu)雜生物(wu)過程(cheng)研究(jiu)提(ti)(ti)供(gong)了(le)全(quan)新視角。區別于傳統光(guang)(guang)學顯微鏡聚(ju)焦于單個細(xi)(xi)(xi)胞(bao)內的(de)物(wu)質交互過程(cheng)，RUSH3D使得研究(jiu)人員(yuan)可以(yi)首次(ci)以(yi)全(quan)景方式動態(tai)觀測(ce)哺乳動物(wu)器(qi)(qi)官(guan)尺度細(xi)(xi)(xi)胞(bao)精度的(de)組織異質性，在(zai)活體組織中原位(wei)研究(jiu)大規模(mo)多樣化(hua)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)在(zai)完(wan)整(zheng)生理與病理過程(cheng)中的(de)動態(tai)交互行為。

　　交叉研(yan)究團隊利用(yong)(yong)RUSH3D在(zai)腦科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)、免(mian)疫(yi)(yi)學(xue)(xue)(xue)、醫學(xue)(xue)(xue)與(yu)藥學(xue)(xue)(xue)等(deng)多學(xue)(xue)(xue)科(ke)(ke)展示(shi)了(le)(le)(le)令人矚目的(de)(de)成果。首次在(zai)活體(ti)小鼠上以(yi)單細胞分辨率實(shi)現(xian)(xian)了(le)(le)(le)覆蓋大(da)腦皮層(ceng)(ceng)2/3層(ceng)(ceng)的(de)(de)高速長(chang)時(shi)程(cheng)三維(wei)觀(guan)(guan)測(ce)，捕捉了(le)(le)(le)多感官刺激下皮層(ceng)(ceng)各腦區(qu)的(de)(de)各異性(xing)響(xiang)應(ying)模式(shi)，能夠連續(xu)多天(tian)以(yi)單神(shen)經(jing)(jing)元精度(du)(du)追蹤大(da)規模神(shen)經(jing)(jing)響(xiang)應(ying)。首次觀(guan)(guan)測(ce)到(dao)了(le)(le)(le)急(ji)性(xing)腦損傷后多腦區(qu)的(de)(de)免(mian)疫(yi)(yi)反(fan)應(ying)，發(fa)(fa)現(xian)(xian)大(da)量中(zhong)性(xing)粒細胞從非血(xue)管區(qu)域(yu)(yu)往腦內的(de)(de)遷移與(yu)回流過程(cheng)。首次在(zai)小鼠免(mian)疫(yi)(yi)反(fan)應(ying)過程(cheng)中(zhong)同時(shi)觀(guan)(guan)測(ce)到(dao)了(le)(le)(le)淋巴結內多個生(sheng)發(fa)(fa)中(zhong)心的(de)(de)形成過程(cheng)，以(yi)及(ji)T細胞在(zai)不同生(sheng)發(fa)(fa)中(zhong)心之間的(de)(de)遷移現(xian)(xian)象。這些初(chu)步實(shi)驗雖然僅僅展現(xian)(xian)了(le)(le)(le)RUSH3D應(ying)用(yong)(yong)的(de)(de)冰山(shan)一(yi)角(jiao)，但充分展示(shi)了(le)(le)(le)其為神(shen)經(jing)(jing)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)、免(mian)疫(yi)(yi)學(xue)(xue)(xue)、腫瘤學(xue)(xue)(xue)、藥學(xue)(xue)(xue)等(deng)領(ling)域(yu)(yu)前沿研(yan)究所帶(dai)來的(de)(de)廣闊應(ying)用(yong)(yong)前景。該(gai)儀器的(de)(de)研(yan)制與(yu)產業(ye)化填補了(le)(le)(le)對復雜生(sheng)命現(xian)(xian)象介觀(guan)(guan)尺度(du)(du)活體(ti)觀(guan)(guan)測(ce)的(de)(de)空(kong)白，標志著(zhu)我國在(zai)活體(ti)介觀(guan)(guan)顯(xian)微成像領(ling)域(yu)(yu)持(chi)續(xu)引領(ling)國際發(fa)(fa)展，極大(da)提升了(le)(le)(le)我國高端科(ke)(ke)研(yan)儀器的(de)(de)研(yan)究和應(ying)用(yong)(yong)水平，更為人類探索生(sheng)命奧秘打開了(le)(le)(le)新的(de)(de)維(wei)度(du)(du)，為揭示(shi)神(shen)經(jing)(jing)、腫瘤、免(mian)疫(yi)(yi)新現(xian)(xian)象和新機理提供(gong)了(le)(le)(le)新的(de)(de)殺手锏，使得(de)我國生(sheng)命科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)家、醫學(xue)(xue)(xue)家能夠率先使用(yong)(yong)我國自主高端儀器設備來解決重大(da)基礎研(yan)究問題(ti)。

圖2.RUSH3D系統圖

　　計(ji)算(suan)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)是改(gai)變(bian)了(le)(le)(le)傳統(tong)(tong)(tong)光(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)“所見即所得(de)”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)設計(ji)理(li)(li)念。利(li)用計(ji)算(suan)編碼、計(ji)算(suan)采(cai)集等多維尺度計(ji)算(suan)架構(gou)，實(shi)(shi)現(xian)(xian)(xian)對(dui)高(gao)(gao)維光(guang)(guang)(guang)場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)精細感(gan)知與融合(he)，為機器(qi)設計(ji)更好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)感(gan)知系(xi)統(tong)(tong)(tong)，從(cong)而突破傳統(tong)(tong)(tong)光(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)系(xi)列(lie)物(wu)理(li)(li)瓶(ping)頸。然(ran)而這(zhe)條創(chuang)(chuang)新之路同樣(yang)充滿荊棘，RUSH3D系(xi)統(tong)(tong)(tong)集成(cheng)(cheng)(cheng)了(le)(le)(le)團(tuan)(tuan)隊(dui)過去(qu)十多年來(lai)一(yi)系(xi)列(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)理(li)(li)論和(he)關(guan)鍵技術創(chuang)(chuang)新，才真正實(shi)(shi)現(xian)(xian)(xian)了(le)(le)(le)整體(ti)性能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顛覆(fu)性提(ti)升。針對(dui)二維傳感(gan)器(qi)難以(yi)捕捉三(san)維動態變(bian)化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)難題(ti)(ti)，團(tuan)(tuan)隊(dui)提(ti)出(chu)了(le)(le)(le)掃描光(guang)(guang)(guang)場(chang)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)原理(li)(li)，能(neng)夠(gou)在實(shi)(shi)現(xian)(xian)(xian)軸向400微米范圍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)速三(san)維成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)同時，將(jiang)(jiang)激光(guang)(guang)(guang)照射對(dui)細胞的(de)(de)(de)(de)(de)(de)損傷(shang)降低了(le)(le)(le)數百倍。針對(dui)活體(ti)組織復(fu)雜(za)環(huan)境引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)差(cha)降低系(xi)統(tong)(tong)(tong)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)辨率(lv)與信噪比(bi)這(zhe)一(yi)難題(ti)(ti)，團(tuan)(tuan)隊(dui)提(ti)出(chu)了(le)(le)(le)基于波動光(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數字自適應光(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)架構(gou)，無需在光(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)系(xi)統(tong)(tong)(tong)中增加額外(wai)(wai)波前(qian)傳感(gan)器(qi)或者空間調制器(qi)，在后(hou)端(duan)即可完成(cheng)(cheng)(cheng)大視場(chang)多區域自適應光(guang)(guang)(guang)學(xue)(xue)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)差(cha)矯正，從(cong)而提(ti)升大視場(chang)復(fu)雜(za)環(huan)境三(san)維成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)空間分(fen)辨率(lv)以(yi)及信噪比(bi)。這(zhe)一(yi)設計(ji)使得(de)僅需常規尺寸物(wu)鏡(jing)，就能(neng)有效克服空間非(fei)一(yi)致的(de)(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)(tong)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)差(cha)和(he)樣(yang)本像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)差(cha)難題(ti)(ti)，實(shi)(shi)現(xian)(xian)(xian)了(le)(le)(le)全視場(chang)內均一(yi)高(gao)(gao)空間分(fen)辨率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)十億像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，顯著(zhu)降低介(jie)(jie)觀成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)(tong)(tong)尺寸與成(cheng)(cheng)(cheng)本，使得(de)高(gao)(gao)分(fen)辨活體(ti)介(jie)(jie)觀顯微成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)(tong)(tong)變(bian)得(de)更加廣(guang)泛可及。除(chu)此之外(wai)(wai)，活體(ti)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中背景(jing)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)嚴重影響了(le)(le)(le)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)信背比(bi)，RUSH3D采(cai)用多尺度去(qu)背景(jing)算(suan)法實(shi)(shi)現(xian)(xian)(xian)背景(jing)信號和(he)在焦(jiao)(jiao)信號的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)離，精準濾除(chu)散焦(jiao)(jiao)背景(jing)，從(cong)而提(ti)升成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)信背比(bi)，恢復(fu)淹沒在熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)背景(jing)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)信號。進一(yi)步(bu)與共聚(ju)焦(jiao)(jiao)掃描光(guang)(guang)(guang)場(chang)融合(he)，將(jiang)(jiang)能(neng)在具備高(gao)(gao)通量介(jie)(jie)觀觀測能(neng)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)同時，實(shi)(shi)現(xian)(xian)(xian)共聚(ju)焦(jiao)(jiao)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)保真度。

圖(tu)3.RUSH3D實現大(da)視場與高分辨率兼備(bei)的介觀三(san)維成(cheng)像(xiang)

　　RUSH3D通過(guo)其(qi)跨時空的(de)(de)(de)多尺度成(cheng)像能(neng)(neng)(neng)(neng)力，極大(da)(da)拓寬(kuan)了科(ke)學(xue)家對(dui)(dui)大(da)(da)腦(nao)(nao)(nao)的(de)(de)(de)認知。大(da)(da)腦(nao)(nao)(nao)皮(pi)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)網絡(luo)被認為是高等(deng)動(dong)(dong)物神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)系(xi)統中十(shi)分(fen)重要(yao)而(er)又(you)復(fu)雜的(de)(de)(de)信息(xi)(xi)處理中心(xin)，是產生(sheng)生(sheng)物智能(neng)(neng)(neng)(neng)乃至意識的(de)(de)(de)關鍵(jian)(jian)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)網絡(luo)區(qu)域(yu)。然而(er)，由(you)于(yu)觀測技(ji)術限(xian)制，目前大(da)(da)部分(fen)研究只(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)同(tong)時記錄實(shi)驗動(dong)(dong)物中一個或幾(ji)個皮(pi)層(ceng)(ceng)區(qu)域(yu)的(de)(de)(de)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)活動(dong)(dong)，難(nan)以進(jin)一步研究皮(pi)層(ceng)(ceng)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)網絡(luo)的(de)(de)(de)聯合(he)動(dong)(dong)態(tai)變化。通過(guo)RUSH3D大(da)(da)視場(chang)、三(san)維高分(fen)辨率(lv)(lv)、高幀率(lv)(lv)的(de)(de)(de)成(cheng)像優勢，交叉團(tuan)隊開創性(xing)實(shi)現了對(dui)(dui)頭固定(ding)下清醒小鼠(shu)背側(ce)皮(pi)層(ceng)(ceng)17個腦(nao)(nao)(nao)區(qu)中十(shi)萬(wan)量級大(da)(da)規模(mo)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)長時間高速(su)三(san)維記錄，并且能(neng)(neng)(neng)(neng)夠對(dui)(dui)同(tong)一群神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)進(jin)行(xing)跨天(tian)連續的(de)(de)(de)追蹤。運用該系(xi)統，證實(shi)了響應(ying)感(gan)(gan)覺(jue)(jue)刺激，調控運動(dong)(dong)的(de)(de)(de)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)并非只(zhi)存(cun)在(zai)于(yu)單一感(gan)(gan)覺(jue)(jue)皮(pi)層(ceng)(ceng)、運動(dong)(dong)皮(pi)層(ceng)(ceng)，而(er)是廣(guang)泛存(cun)在(zai)于(yu)皮(pi)層(ceng)(ceng)各(ge)個區(qu)域(yu)，但(dan)各(ge)個區(qu)域(yu)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)對(dui)(dui)感(gan)(gan)覺(jue)(jue)信息(xi)(xi)編碼、整合(he)、區(qu)分(fen)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)力存(cun)在(zai)差異。進(jin)一步發(fa)現自(zi)發(fa)運動(dong)(dong)行(xing)為發(fa)起時，小鼠(shu)皮(pi)層(ceng)(ceng)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)網絡(luo)由(you)尾側(ce)向鼻側(ce)傳導(dao)的(de)(de)(de)發(fa)放(fang)模(mo)式。這一結果提示視覺(jue)(jue)、觸覺(jue)(jue)等(deng)感(gan)(gan)覺(jue)(jue)皮(pi)層(ceng)(ceng)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)信息(xi)(xi)整合(he)和全皮(pi)層(ceng)(ceng)范圍信號擴散可能(neng)(neng)(neng)(neng)是引起自(zi)發(fa)運動(dong)(dong)的(de)(de)(de)關鍵(jian)(jian)因素。在(zai)此(ci)基(ji)(ji)礎上，RUSH3D有(you)(you)望首次實(shi)現解(jie)析(xi)全背側(ce)皮(pi)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)介觀腦(nao)(nao)(nao)功能(neng)(neng)(neng)(neng)圖譜，通過(guo)捕捉大(da)(da)腦(nao)(nao)(nao)內的(de)(de)(de)成(cheng)百上千萬(wan)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)(yuan)間的(de)(de)(de)動(dong)(dong)態(tai)連接與功能(neng)(neng)(neng)(neng)，有(you)(you)望能(neng)(neng)(neng)(neng)揭示意識的(de)(de)(de)生(sheng)物學(xue)基(ji)(ji)礎，智能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)本質等(deng)人(ren)類基(ji)(ji)本問題，推(tui)動(dong)(dong)對(dui)(dui)神(shen)(shen)(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)退行(xing)性(xing)疾病的(de)(de)(de)研究，并有(you)(you)望推(tui)動(dong)(dong)腦(nao)(nao)(nao)啟發(fa)的(de)(de)(de)人(ren)工智能(neng)(neng)(neng)(neng)發(fa)展。

圖(tu)4.小鼠全腦皮層范(fan)圍三維(wei)神經成(cheng)像

　　RUSH3D系統為研究大規模細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)交(jiao)互提供了(le)(le)(le)前所未有(you)(you)的(de)(de)(de)工(gong)具。例如(ru)，生(sheng)發中(zhong)(zhong)心(Germinal center, GC)是被抗原激活后(hou)的(de)(de)(de)B細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)在(zai)趨化(hua)作用引導(dao)下聚(ju)集形(xing)成的(de)(de)(de)組織結構，對(dui)于自身(shen)免(mian)(mian)疫(yi)性疾病(bing)、疫(yi)苗(miao)、病(bing)毒感染等過程(cheng)都至關重(zhong)要。由(you)于受到視(shi)場(chang)和拍攝時(shi)長(chang)的(de)(de)(de)限制(zhi)，免(mian)(mian)疫(yi)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)如(ru)何參與多(duo)(duo)個(ge)(ge)(ge)(ge)GC生(sheng)成以(yi)及如(ru)何在(zai)多(duo)(duo)個(ge)(ge)(ge)(ge)GC間(jian)進行(xing)(xing)遷移的(de)(de)(de)過程(cheng)從來沒有(you)(you)被連續(xu)記錄過，從而限制(zhi)了(le)(le)(le)該領(ling)域的(de)(de)(de)發展。團隊利用RUSH3D對(dui)小(xiao)(xiao)鼠腹(fu)股溝附近(jin)淋(lin)巴結在(zai)免(mian)(mian)疫(yi)反應(ying)85個(ge)(ge)(ge)(ge)小(xiao)(xiao)時(shi)左(zuo)右進行(xing)(xing)了(le)(le)(le)長(chang)達十數小(xiao)(xiao)時(shi)的(de)(de)(de)高速三(san)維成像(xiang)，完整(zheng)記錄了(le)(le)(le)B細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)參與多(duo)(duo)個(ge)(ge)(ge)(ge)GC生(sheng)成的(de)(de)(de)過程(cheng)。與此同(tong)時(shi)，觀測(ce)(ce)到在(zai)免(mian)(mian)疫(yi)反應(ying)145個(ge)(ge)(ge)(ge)小(xiao)(xiao)時(shi)GC已(yi)經(jing)完全形(xing)成之(zhi)后(hou)，一些(xie)T細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)在(zai)多(duo)(duo)個(ge)(ge)(ge)(ge)GC之(zhi)間(jian)完整(zheng)遷移的(de)(de)(de)過程(cheng)，預示(shi)了(le)(le)(le)T細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)可能(neng)參與了(le)(le)(le)GC之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)信息交(jiao)流和傳遞。這些(xie)對(dui)信使T細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)在(zai)不同(tong)生(sheng)發中(zhong)(zhong)心之(zhi)間(jian)交(jiao)流信息的(de)(de)(de)觀測(ce)(ce)有(you)(you)望帶來我們對(dui)免(mian)(mian)疫(yi)過程(cheng)的(de)(de)(de)全新認識。

圖5.B淋巴(ba)細胞參(can)與小鼠淋巴(ba)結多個生發中心形成的完整(zheng)過程

　　跨時空(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)多尺度成(cheng)像能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)力使得RUSH3D極(ji)大提(ti)升了實(shi)驗(yan)效(xiao)(xiao)(xiao)率。例如，藥(yao)物(wu)篩選(xuan)實(shi)驗(yan)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)夠在單次(ci)實(shi)驗(yan)中(zhong)顯(xian)著提(ti)高效(xiao)(xiao)(xiao)率，免(mian)(mian)(mian)去多次(ci)試驗(yan)需求。同(tong)時，由于RUSH3D可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)足夠數(shu)據進行統計分析，跨個體(ti)差異可(ke)以(yi)在一(yi)次(ci)實(shi)驗(yan)中(zhong)得到有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)緩解。此外，諸如腫瘤(liu)(liu)轉移等稀有(you)事(shi)件，在RUSH3D的(de)(de)(de)(de)(de)(de)觀(guan)察中(zhong)將(jiang)不再是偶發(fa)事(shi)件，而是常(chang)規(gui)可(ke)見(jian)現(xian)(xian)象，成(cheng)百(bai)上千倍地提(ti)升了活體(ti)生物(wu)發(fa)現(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)(xiao)率。憑借(jie)其低光毒(du)性(xing)三維觀(guan)測的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優勢，該系統還能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)夠同(tong)時觀(guan)察到細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)長距(ju)離通信，并通過(guo)(guo)長時間追蹤數(shu)百(bai)萬(wan)個細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)，揭示集(ji)體(ti)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)行為(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)理規(gui)律(lv)和功能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)涌現(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機制，例如能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)夠捕(bu)捉從(cong)腫瘤(liu)(liu)發(fa)生開始到免(mian)(mian)(mian)疫(yi)應(ying)答、腫瘤(liu)(liu)生長的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全過(guo)(guo)程(cheng)，揭示腫瘤(liu)(liu)產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)完整免(mian)(mian)(mian)疫(yi)活化(hua)反(fan)應(ying)。作為(wei)(wei)RUSH3D在醫(yi)學領(ling)域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)初探，研(yan)究人(ren)員首(shou)次(ci)觀(guan)測到了急(ji)性(xing)腦(nao)(nao)損傷(shang)(腦(nao)(nao)震(zhen)蕩等)后(hou)(hou)整個大腦(nao)(nao)皮層范圍(wei)內的(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)性(xing)粒(li)(li)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)遷移活動。當小鼠(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腦(nao)(nao)部受到撞(zhuang)擊(ji)以(yi)后(hou)(hou)，大量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)心粒(li)(li)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)從(cong)血管周邊非血管區域流(liu)出進入(ru)腦(nao)(nao)實(shi)質(zhi)，也有(you)極(ji)罕見(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)從(cong)腦(nao)(nao)實(shi)質(zhi)回流(liu)到血管里，這意味著有(you)些(xie)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)可(ke)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)通過(guo)(guo)類淋巴系統進入(ru)腦(nao)(nao)實(shi)質(zhi)，并且會流(liu)回血管中(zhong)將(jiang)信息傳(chuan)遞到生物(wu)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)其他(ta)地方。通過(guo)(guo)國際(ji)首(shou)次(ci)捕(bu)捉對腦(nao)(nao)損傷(shang)修復過(guo)(guo)程(cheng)單細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)水(shui)平的(de)(de)(de)(de)(de)(de)免(mian)(mian)(mian)疫(yi)反(fan)應(ying)，有(you)助于開發(fa)特定(ding)療(liao)法避免(mian)(mian)(mian)急(ji)性(xing)腦(nao)(nao)損傷(shang)后(hou)(hou)組織水(shui)腫帶(dai)來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腦(nao)(nao)功能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)缺失難題，并為(wei)(wei)更廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腦(nao)(nao)疾病等醫(yi)學問題提(ti)供(gong)新視角。

圖6.急性腦損(sun)傷后全皮(pi)層范圍(wei)單細胞水平免(mian)疫反(fan)應(ying)

　　基于(yu)該系列成果的核心(xin)專利已(yi)于(yu)清華(hua)大學(xue)(xue)(xue)轉(zhuan)化(hua)成立了國產自主先進顯微儀(yi)器公司，致(zhi)力于(yu)國產自主可控具備國際領(ling)先性(xing)能(neng)的高(gao)(gao)端(duan)光學(xue)(xue)(xue)顯微鏡(jing)以及其(qi)在生(sheng)命科(ke)學(xue)(xue)(xue)等領(ling)域的前沿應用(yong)。已(yi)支撐清華(hua)、北大、北航、北師大、解放軍總醫(yi)(yi)院、同濟醫(yi)(yi)院等國內(nei)高(gao)(gao)水平科(ke)研機(ji)構，在腫瘤學(xue)(xue)(xue)、免疫學(xue)(xue)(xue)、腦(nao)科(ke)學(xue)(xue)(xue)等不(bu)同領(ling)域開展(zhan)了20余項(xiang)創(chuang)新性(xing)生(sheng)命科(ke)學(xue)(xue)(xue)研究，服務于(yu)生(sheng)物制藥領(ling)域。

　　清華(hua)大學(xue)(xue)自(zi)(zi)動(dong)(dong)化系(xi)博士后(hou)張(zhang)元龍、深(shen)圳國(guo)際研究(jiu)生院博士生王(wang)鳴瑞(rui)和基礎醫(yi)學(xue)(xue)院博士生朱齊禹是本文(wen)共(gong)同第一作者，清華(hua)大學(xue)(xue)自(zi)(zi)動(dong)(dong)化系(xi)戴瓊海院士、吳(wu)嘉(jia)敏副教(jiao)(jiao)授(shou)，基礎醫(yi)學(xue)(xue)院郭(guo)增才副教(jiao)(jiao)授(shou)為論(lun)文(wen)共(gong)同通訊作者，郭(guo)鈺(yu)鐸(duo)、劉波、李嘉(jia)敏、姚嘯、孔(kong)垂、張(zhang)億、黃予(yu)超、祁(qi)海參與并作出重要貢獻。研究(jiu)得到國(guo)家自(zi)(zi)然(ran)科(ke)學(xue)(xue)基金委、國(guo)家科(ke)技部重點研發(fa)計劃以及清華(hua)大學(xue)(xue)Brain-X項目的大力支(zhi)持。

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　　//doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.026