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

  • 我国在建最北高铁全线铺轨贯通

  • 超大型耙吸挖泥船"通浚"轮海试成功

独家策划

推荐阅读
近日,自然资源部发布了矿产资源节约与综合利用先进适用技术目录(2025年版),共有376项技术入选,其中新增入选186项,与2022年版相比有了大幅更新。
2025-11-26 10:26
全国科学技术名词审定委员会近日举办2025年度工作会议暨学术年会。
2025-11-26 10:24
不久前,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》,首次在国家层面对场景培育开放进行系统部署。看似细微的“场景”二字,实则内蕴驱动产业变革、催生颠覆性技术的巨大能量,是撬动全局创新的重要支点。
2025-11-26 10:22
光明日报北京11月25日电 记者温源从中交集团获悉,我国自主设计建造的新一代超大型耙吸挖泥船“通浚”轮25日在中国黄海海域成功完成全部海上试验项目,顺利返航停靠江苏启东振华船厂码头。“通浚”轮是我国首艘自主设计建造的35000立方米舱容等级超大型耙吸挖泥船,最大舱容达38168立方米,位列亚洲第一、世界第二。
2025-11-26 10:15
日前,记者来到广西南宁东部新城的宁福新能源科技有限公司生产车间,这里的机械臂精准协作,生产线正全速运转,每天超10万颗电池下线发往全球。依托面向东盟的比较优势,南宁将新能源电池产业列为核心牵引性产业,以全产业链思维开展精准招商。
2025-11-26 10:13
传统无机颜料虽然色彩稳定,却因重金属添加而存在健康风险隐患。“新型稀土环保颜料的呈色策略突破了传统颜料的局限,其出现及量产不仅解决了传统颜料有毒性、环境污染等问题,还在稳定性和生产成本上展现出显著优势。
2025-11-26 10:06
《办法》明确,卫星导航定位基准站的建设和运行维护实行统一规划、统一标准、统一监管,以“合理布局、依法备案、资源共享、保障安全”为原则,必须符合国家有关法律法规、技术规范和标准。
2025-11-25 09:43
稳步提升乡村建设水平,包括优化乡村规划布局、推进基础设施提档升级、推动公共服务普惠均等、探索创新乡村建设推进方式等。
2025-11-25 09:40
机器人完成一个后空翻动作,关节转动误差需控制在0.5度以内;医疗植入人体的陶瓷关节,表面粗糙度若超过0.1微米
2025-11-25 03:05
党的二十届四中全会指出,“加快人工智能等数智技术创新,突破基础理论和核心技术,强化算力、算法、数据等高效供给”。
2025-11-25 03:05
11月24日,中国科学院国家空间科学中心召开空间科学先导专项最新亮点成果发布会,集中发布了空间科学卫星任务在宇宙暂现天体、宇宙线传播、太阳爆发等领域取得的系列重大科学突破。
2025-11-25 03:05
随着人工智能技术的飞速发展,各个领域都在发生深刻变革,教育系统也刮起了AI风。
2025-11-25 03:05
燕矶长江大桥是亚洲首个专业货运枢纽机场——鄂州花湖国际机场的重要配套工程,是鄂黄第二过江通道的重要组成部分。
2025-11-24 09:02
11月23日,由中国半导体行业协会、中国电子信息产业发展研究院主办的第二十二届中国国际半导体博览会在北京开幕。
2025-11-24 03:15
从国家管网集团西部管道有限责任公司获悉,截至11月21日,我国最长原油管道——西部原油管道实现安全平稳运行18年,累计输送原油超2亿吨。
2025-11-24 03:15
作为中国和南非两国合作推动科普教育的重要实践,中国科学技术馆与南非Sci-Bono科学中心合作建设的“倾听科学空间”21日正式向公众开放。逾百嘉宾和观众到场体验。
2025-11-24 03:15
为AI4S领域培养兼具理论素养与产业落地能力的复合型人才,同时助力企业技术创新与行业生态构建。
2025-11-24 03:15
2025年度“十大”科普热词从科技、文化、社会等维度,综合勾勒出2025年我国科普事业发展、科技前沿动态、科学传播与社会文化融合的整体态势和核心方向。
2025-11-21 15:11
枫清科技与麒麟软件达成战略合作,双方将围绕AI技术创新、产品研发、市场拓展等方面开展深度合作,共同推动信创产业生态的完善与发展。
2025-11-21 13:13
走进国家重要野生植物种质资源库辰山中心种子冷库,零下20摄氏度的寒气扑面而来,一排排整齐编号的收纳容器中,是进入“深度睡眠”状态的各类野生植物种子。
2025-11-21 09:53
加载更多