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

  • 习近平在上海考察

  • 上海“日新日异”迈向“AI之城”

独家策划

推荐阅读
由此,教育链、人才链、创新链与产业链得以深度贯通,形成“以国家战略任务牵引创新、以创新实践锻造人才、以人才成长支撑国家战略”的良性循环,为高水平科技自立自强和中国式现代化提供持续支撑。由此,国家战略任务牵引下的人才培养,将推动人才在解决复杂问题过程中形成原创能力,在跨学科协同中拓宽战略视野,在长期攻关实践中涵养使命担当。
2026-07-16 09:54
“北科秀场”也在上演精心打造的10集暑期特辑《科学游戏大冒险》,观众化身“科学侦探”,跟随“科博士”和“科代表”开启跌宕起伏的科学冒险之旅。“北科”系列品牌活动还实现分层培养:3岁至8岁可以在“北科童行”游戏中启蒙,6岁至12岁可在“北科展教坊”探究实践,12岁至18岁可在“北科学堂”完成跨学科进阶。
2026-07-16 09:36
由此,教育链、人才链、创新链与产业链得以深度贯通,形成“以国家战略任务牵引创新、以创新实践锻造人才、以人才成长支撑国家战略”的良性循环,为高水平科技自立自强和中国式现代化提供持续支撑。由此,国家战略任务牵引下的人才培养,将推动人才在解决复杂问题过程中形成原创能力,在跨学科协同中拓宽战略视野,在长期攻关实践中涵养使命担当。
2026-07-16 09:35
当钢铁机械遇上童心想象,硬核工业叙事便打破了技术壁垒,在儿童文学中生长出温柔坚韧的力量。开篇岩岩玩积木时爸爸演示的“平行四连杆机构”,最终成为破解矿车转向系统故障的关键,让孩子的奇思妙想对接工业实践。
2026-07-16 09:35
风云卫星的“跨界”应用是中国气象科技对参与我国生态治理与应对全球气候变化挑战,做出的一道“必答题”。更重要的是,风云卫星积累的连续墒情数据,为农作物生长模型构建、气候变化对农业影响分析提供支撑。
2026-07-16 09:34
一个常见误解是,基础研究离市场较远,产业竞争越激烈,越应把资源集中到应用开发和成果转化上。量子信息产业离不开量子力学,人工智能离不开数学、统计学、计算机科学和认知科学,生物制造离不开分子生物学、基因组学和合成生物学,新能源和新材料离不开物理、化学和材料科学。
2026-07-16 09:33
延东煤层气田位于延长县和宜川县境内,是陕西省属企业探明的首个大型深层煤层气田,埋深超2000米,属典型的“自生自储”型深层煤层气藏。
2026-07-15 09:15
中国科学院院士、北京大学干细胞研究中心主任邓宏魁团队发布了其首创的“化学重编程干细胞”技术的自主实验室应用——智能细胞化学重编程和克隆筛选平台。
2026-07-15 09:15
登记面积达37.7万平方公里,绿水青山有了自己的“户口本”。在生态产品价值实现机制方面,探索建立资源权益指标市场化交易机制、生态保护红线内建设用地腾退指标交易激励机制,实现成本共担、生态效益共享。
2026-07-15 09:14
对于我们抢占科技和产业制高点、牢牢把握发展主动权具有重要意义。发展未来产业,前瞻布局管方向、管长远、管全局,梯度培育管路径、管方法、管落实。
2026-07-15 09:14
在美丽乡村建设过程中,推广绿色生产技术、防治农业面源污染等工作的开展,都离不开专业人才
2026-07-15 09:13
国家气候中心预测,今年主汛期我国气候状况总体偏差,极端天气气候事件偏多,东部地区涝重于旱,有南北两条多雨带,其中北方多雨带位于东北地区、内蒙古东北部、华北、华东北部等地。
2026-07-14 10:27
当前,我国传统产业正向着智能化、绿色化、融合化方向转型,这一过程迫切需要青年技能人才的加入。
2026-07-14 10:23
以生态环境高水平保护支撑经济社会高质量发展,须以绿色化引领数字化,以数字化赋能绿色化。
2026-07-14 10:20
据中国载人航天工程办公室消息,13日,将执行嫦娥七号任务的长征五号遥十四运载火箭安全运抵文昌航天发射场。后续,该火箭将与先期运抵的嫦娥七号探测器一起开展发射场区总装和测试工作。
2026-07-14 09:23
2025年,中国汽车取得了三个“全球第一”:汽车产销全球第一,新能源汽车产销全球第一,汽车出口全球第一——中国汽车,已然领跑全球。
2026-07-14 09:22
“数”“绿”深度融合,推动形成具有良好辐射效应的绿色数字产业集群,实现规模效率变革。“数”“绿”深度融合,提高各创新要素和资源的投入产出比,实现全要素生产率变革。
2026-07-14 09:22
正午时分,天山北坡日头正烈。新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州奇台县老奇台镇二畦村,种植户张国安又下地了。
2026-07-13 10:02
“始终坚持生态优先、绿色发展”,是青海发展的根本遵循。
2026-07-13 10:02
时隔9年,中国超算重返世界第一!不久前举行的国际超算大会上,国家超级计算深圳中心发布新一代“灵晟”超算系统,实测持续性能达到2.19EFLOPS(百亿亿次/秒),成为世界首台持续性能超2EFLOPS的超算系统。
2026-07-13 10:01
加载更多