点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:填补复杂生命现象介观尺度活体观测的空白——清华大学团队研制成功超级显微镜
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

填补复杂生命现象介观尺度活体观测的空白——清华大学团队研制成功超级显微镜

来源:光明网-《光明日报》2024-09-19 03:35

  【瞧!我们的前沿科技】

  光明日报北京9月18日电(记者邓晖)日前,清华大学戴琼海团队在《细胞》上发表最新工作成果,宣布新一代介观活体显微仪器RUSH3D系统的问世。该仪器的研制与产业化填补了对复杂生命现象在哺乳动物介观尺度活体观测的空白,极大地提升了我国高端科研仪器的研究和应用水平,更为人类探索生命奥秘打开了新的维度,为揭示神经、肿瘤、免疫新现象和新机理提供了新的“撒手锏”,使得我国生命科学家、医学家能够率先使用国产自主高端仪器设备来解决重大基础研究问题。目前,该仪器已支持国内多所高校院所在免疫学、脑科学等领域开展系列创新性研究。

  区别于传统光学显微镜聚焦于单个细胞内的物质交互过程,RUSH3D使得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亚细胞精度的组织异质性,在活体组织中原位研究大规模多样化细胞在完整生理与病理过程中的动态交互行为。在兼具厘米级三维视场与亚细胞分辨率的同时,RUSH3D能以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。相比当前市场上最先进的商业化荧光显微镜,其在同样分辨率下的成像视场面积提升近百倍,三维成像速度提升数十倍,光毒性降低上百倍(有效观测时长提升百倍)。这一前所未有的时空跨尺度成像能力,为复杂生物过程研究提供了全新视角。

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

  “仅以脑科学为例,大量神经元间的相互连接和作用涌现出如智能、意识等功能,厘清神经环路的结构和活动规律是解析大脑工作原理的必由之路。然而具备单神经元识别能力的传统显微镜往往只具备毫米级视场,仅能覆盖小鼠单个或几个脑区实现单个平面的神经信号动态记录;功能核磁虽然能够实现三维全脑范围观测,但空间分辨率却远不足以识别单细胞。”中国工程院院士、清华大学自动化系教授戴琼海介绍,对于肿瘤学而言,同样只有兼具大视场与高分辨才能全景式捕捉肿瘤发生发展的完整过程,才能更精准地研究不同药物反应,发现新的药物靶点。

  瞄准这一国际前沿难题,戴琼海团队早在2013年就在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目的支持下,在国际上率先开展介观活体显微成像领域研究,并于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。

  彼时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。“每一项技术瓶颈本身都是生物医学成像领域的国际难题,而如何在同一系统上同时解决这些活体成像壁垒,是一个更为艰巨的挑战。”戴琼海介绍。

  此后6年间,团队持续攻关,先后提出扫描光场成像原理、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,逐一解决了介观活体显微成像中一系列壁垒,相关成果发表于《细胞》《自然》等国际期刊,为新一代介观活体显微仪器研发奠定了基础。

  清华大学自动化系副教授吴嘉敏介绍,该团队利用RUSH3D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,如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层的高速长时程三维观测,捕捉了多感官刺激下皮层各脑区的各异性响应模式,能够连续多天以单神经元精度追踪大规模神经响应等,“这些初步实验虽然仅展现了RUSH3D应用的冰山一角,但充分展示了其为神经科学、免疫学、药学等领域前沿研究所带来的广阔应用前景”。

  《光明日报》(2024年09月19日 08版)

[ 责编:李伯玺 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 上海市档案馆展出隐蔽战线工作者红色珍档

  • “深江1号”盾构机掘进突破4000米

独家策划

推荐阅读
“激光不是自然光,它是人类创造的‘最准的尺’‘最利的刀’,更是能为人类需求精准调光的‘魔法师’。”1月6日,科学家精神百场讲坛在扬州大学开讲,中国科学院院士、天津大学教授姚建铨向现场听众分享了自己60年的科研历程与心得。
2026-01-07 02:30
以前医生判断大脑是否健康,需要进行磁共振检查,这个检查结果用的是西方人群的参考标准。
2026-01-07 02:30
硫化氢气味如臭鸡蛋,在天然气开采、炼油、煤化工中大量产生。它不仅有毒,更是形成酸雨的“元凶”之一。据统计,我国每年待处理的硫化氢约80亿立方米,全球规模更是巨大。如何安全、彻底地处理它,一直是工业界面临的巨大挑战。
2026-01-07 02:30
从生态环境部获悉,日前,南京环境科学研究所秦卫华、李中林、王涛研究团队在《布拉格国家昆虫博物馆馆报》上发表研究成果——西藏吉隆发现猎蝽科猛猎蝽属新物种吉隆猛猎蝽,我国青藏高原生物多样性数据库再添新成员。
2026-01-07 02:30
“人类工程与大自然的完美融合!”不久前,贵州花江峡谷大桥刚刚建成通车便火遍全网,各地游客纷至沓来,只为感受新晋世界第一高桥的壮观雄伟。
2026-01-07 02:30
“一张网”的构建是我国测绘地理信息事业转型升级的生动实践。
2026-01-06 09:53
具身智能作为人工智能与机器人科学交叉的前沿领域,是新一轮产业变革的技术引擎。
2026-01-06 02:45
我国首次航天员洞穴训练日前在重庆市武隆区圆满结束,28名航天员参加了这次训练。
2026-01-06 02:45
近日,国务院办公厅印发《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》,意见明确要求构建高水平矿山安全生产智能化应用场景。
2026-01-06 03:05
拔尖创新人才的培养成长,与平台和环境密切相关。记者注意到,与长期以来以竞赛选拔为主导的“关门培养”模式不同,近年来越来越多的中学、高校开始设立新型实验班。这些实验班面向更多学子敞开大门,以综合素质培养为落脚点实施个性化育人,为拔尖创新人才成长发展开辟了新空间。
2026-01-06 03:05
我是一名铁路机车调试工,在中国中车株洲电力机车有限公司干了33年,摸过超过一千万根线缆,听过约十万次受电弓升起的声音。这些年,我带过不少刚毕业的学生,也面试过很多从院校走出来的年轻人。他们理论扎实、认真仔细,但一上手调试真车,常常“当场犯懵”。我发现一个问题:学校教的和现场用的,中间隔着一道“看不见的墙”。
2026-01-06 03:05
面对市场机遇,产业链上市公司正加速卡位布局,以技术升级主动迎接L3级自动驾驶的商业化浪潮。
2026-01-05 09:13
接下来,我们计划测量能量范围更为宽泛的质子能谱,最终覆盖4个量级的能量区间。
2026-01-05 09:08
国务院关于促进科技成果转化工作情况的报告近日提请十四届全国人大常委会第十九次会议审议。报告显示,“十四五”以来,我国科技成果转化实现量质齐升,有效推动科技成果向现实生产力转化。
2026-01-05 03:30
棉花是重要经济作物,其中,陆地棉的纤维产量超过全球总量的95%,在我国栽培广泛。陆地棉原产于美洲,在驯化改良过程中经历多次基因组重排。
2026-01-05 03:30
想象一下,机器的“眼睛”不仅能像人眼一样广阔扫视,还能瞬间锁定关键目标,进行精细“凝视”……或许,这将不再是科幻情景。
2026-01-05 03:30
“深海一号”气田是中国迄今为止自主开发的作业水深最深、地层温压最高、勘探开发难度最大、天然气产能最大的海上气田,最大作业水深超1500米。
2026-01-04 09:00
细胞膜蛋白是药物作用的关键靶点,而核酸适体是一类能够高特异性、高亲和力结合靶标分子的寡核苷酸。
2026-01-04 08:59
意见提出到2030年电网资源优化配置能力有效增强,“西电东送”规模超过4.2亿千瓦,新增省间电力互济能力4000万千瓦左右,支撑新能源发电量占比达到30%左右,接纳分布式新能源能力达到9亿千瓦,支撑充电基础设施超过4000万台。
2026-01-04 08:58
全国农业农村厅局长会议日前在北京召开。会议指出,2025年,各级农业农村部门扎实有力推进乡村全面振兴和农业强国建设重点工作,
2026-01-04 02:05
加载更多