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

  • 杭州临安开启科普宣传周活动

  • 美联储降息50个基点开启宽松周期

独家策划

推荐阅读
卡塔尔威尔康奈尔医学院科学家通过分析391名志愿者的血液、尿液和唾液样本中的数千种分子,绘制出人体及其复杂生理过程的分子图。
2024-09-19 09:43
(记者付丽丽)世界气象组织(WMO)近日发布的最新通报显示,今年9月至11月出现拉尼娜现象的概率为55%,而今年10月至明年2月出现拉尼娜现象的可能性会增加至60%,厄尔尼诺现象在此期间再次发展的概率微乎其微。
2024-09-19 09:43
在中国加入国际原子能机构40周年之际,我国决定面向世界各国开放12个核科研设施和实验平台。
2024-09-19 09:35
我国目前海拔最高的人工影响天气观测平台——中昆仑山顶人工影响天气云水资源综合观测系统平台日前已完成验收,正式投入使用。
2024-09-19 03:35
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。
2024-09-19 03:35
将为我国下一代星地海量数据传输体系规划和我国新一代卫星地面站网建设奠定坚实的基础。
2024-09-18 18:36
9月上中旬,本报派出多路记者参与“铸牢共同体 中华一家亲”主题宣传“雪域高原焕新貌”调研采访活动,记录下青藏高原生态保护的西藏实践。
2024-09-18 03:15
“水库总库容22.49亿立方米,相当于360个西湖。”站在160多米高的大坝上,中核集团新华发电新疆叶河公司副总经理、总工程师孟涛一脸自豪。
2024-09-18 02:55
记者从中国气象局获悉:中国气象局能源气象重点开放实验室已于近日正式启动。实验室依托中国气象局公共气象服务中心、中国华能集团有限公司、中国科学院大气物理研究所三家单位组建,并设有学术委员会。
2024-09-18 09:59
眼下,在红河哈尼梯田元阳核心区的阿者科村,梯田即将迎来收割,不时能听到村民们在家里磨镰刀的声音。梯田红米、稻田鱼、鸭蛋等当地绿色特优产品知名度、美誉度不断提高,产业的发展让世界遗产品牌惠及当地群众。
2024-09-18 09:54
一项新研究称,海洋鱼类的灭绝风险远高于国际自然保护联盟(IUCN)的初步估计,从2.5%增加到12.7%。法国蒙彼利埃海洋生物多样性、开发和保护部门研究人员称,IUCN撰写的《濒危物种红色名录》覆盖了超15万个物种,指导全球各地保护最受威胁的物种。
2024-09-18 09:52
记者17日从中国科学院云南天文台了解到,该台恒星物理研究团组和天文技术实验室近期基于机器学习,合作开发了快速计算恒星—行星系统潮汐演化的方法。
2024-09-18 09:34
在知识产权保护的基础上,发展中部地区地理标志特色产业,对于促进当地乡村全面振兴,赋能经济高质量发展,意义重大。
2024-09-14 09:43
据《全国科技小院发展报告(2024)》显示,自2009年第一个科技小院成立以来,科技小院数量快速增长、参与主体愈加丰富,目前全国已建成1800多个科技小院,157个研究生培养单位参与其中,参与专家达2700余名、入驻研究生1万余名。科技小院发展模式日益成熟,成为推动乡村全面振兴的重要组织力量。
2024-09-14 09:42
药品监管部门坚持以“四个最严”要求为根本遵循,着力统筹发展和安全,统筹效率和公平,统筹监管和服务,有效保障药品安全形势总体稳定,促进医药产业高质量发展。今年1至8月,国家药品抽检共计20696批次,合格率为99.43%。
2024-09-14 09:34
国内首台工业级盾构滚刀智能换刀机器人、全球首款人工智能骨科手术机器人、元宇宙数实融合应用……
2024-09-14 09:32
医生在浙江,患者在新疆。一场跨越近5000公里的5G超远程机器人肝脏肿瘤切除手术正在进行。只见医生在机器人手术操作台上,灵活地操控机械臂;手术室中,机械臂收到指令,精准地完成各项手术动作……目前,浙江各医院已完成50余例援疆5G超远程机器人手术。
2024-09-14 09:31
每一项重大科技应用取得突破前后,均有对其理论上的持续争论。著名小说《仿生人会梦见电子羊吗?》引发的人与仿生人之间界限的讨论虽产生于20世纪,但一直延续至今,其蕴含的法律问题是人工智能究竟是否具备法律人格。
2024-09-13 10:14
移动物联网是以移动通信技术和网络为载体,通过多网协同实现人、机、物泛在智联的新型信息基础设施。
2024-09-13 10:14
据了解,“晓医”依托讯飞星火医疗大模型,基于大量资深中医诊疗经验和专业知识图谱数据,构建了规模大、覆盖病种全的知识库,包括中医病症知识“400+”种、穴位知识“400+”种、常用中草药“300+”种、古代医案“6200+”份等。
2024-09-13 10:13
加载更多