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

  • 浙江温州:做好应急抢险工作 应对台风“白海豚”影响

  • 福建新泉:红色文化助力乡村振兴

独家策划

推荐阅读
如果一个人童年时曾遭遇不幸和逆境,常让他在成年后面对风浪时,更容易陷入焦虑、抑郁等情绪障碍。目前,人们还没有能治疗童年逆境对大脑深远影响的办法,其中一个重要原因,就是过去没弄清背后的分子机制。
2026-08-11 09:41
日前发布的《加快农业农村现代化“十五五”规划》,将粮食综合生产能力确定为约束性指标,明确提出粮食综合生产能力从2025年的1.39万亿斤,提升到2030年的1.45万亿斤左右。在汶上县,2025年粮食种植面积稳定在150万亩、产量超过14亿斤;今年小麦平均亩产581.5公斤,眼下秋粮玉米长势喜人。
2026-08-11 09:39
氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源。氢能能量密度大,在长距离运输上有优势,被应用于公交客运、冷链运输、干线物流等场景。依托国家氢能示范城市群政策牵引,截至2025年底,我国氢燃料电池汽车累计销量近4万辆,氢燃料电池应用场景向矿卡、船舶、无人机、轨道交通等延伸。
2026-08-11 09:35
5月4日,人们在浙江省杭州市文三数字生活街区的AI黑科技市集上体验DeepSeek(深度求索)的人工智能大模型。从东南亚的政务服务到中东的能源行业,从欧美的初创企业到拉美的电商平台,中国大模型正在用实实在在的能力赢得全球用户的信赖。
2026-08-11 09:31
今年4月,上海极地考察国内基地,中国极地研究中心(中国极地研究所)极地船舶管理中心主任赵炎平望着完成考察任务的“雪龙”号,嘴角微微上扬,脸上洋溢着笑容。系统正式投运那一刻,孙宏斌说自己“很激动”,因为我国极地科考告别了40年的柴油依赖,率先迈入绿色能源新纪元。
2026-08-11 09:26
研究团队在实验室造了一个微型“知识世界”:图片是节点,关联概率是连线——像城市路网,有的路口四通八达,有的只有羊肠小道。罗欢说:“这意味着,那短短的先期接触,已经在大脑中搭起了一副以核心结构为支撑的压缩骨架。
2026-08-11 09:25
望远镜建起来后,让它们高效、智能、持续地产出高质量数据及成果,才是真正的挑战。而这道题的关键解法,就是人工智能。
2026-08-10 09:58
中国环流三号装置升级改造项目低温系统罐区14台大型储罐日前全部安装就位,标志着核聚变研究从零散单点技术攻关正式跨入多系统协同集成的工程化新阶段。
2026-08-10 09:57
近年来,我国加快布局空、海、潜一体化智能装备体系,构建起全域覆盖、自主可控的海洋立体安防网络,为海洋产业高质量发展筑牢安全屏障。
2026-08-10 09:55
当前,分散化、碎片化的创新模式已无法适应高水平科技自立自强的新要求,必须加快构建支持全面创新的体制机制,为发展新质生产力、确保2035年进入创新型国家前列提供澎湃动能。
2026-08-10 09:51
通用人工智能是人工智能发展的技术初心和前沿,是引领智能革命、重塑国家竞争力的战略制高点。新征程上,我们应勇担使命,积极探寻实现通用人工智能的中国道路。
2026-08-10 09:49
这不只是一幅地质图,还是一套中国自主的图例标准。
2026-08-07 09:48
最近不少“中国神器”在全球刷屏。这些出圈的国货新品,早已摆脱低端代工、低价走量的旧标签,折射出中国制造的创新迭代与品质跃升。国货新品不断出圈、新产业蓬勃发展的背后,是中国制造的硬核实力。
2026-08-07 09:47
今年7月,国家药监局批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。5月,恒瑞医药与百时美施贵宝达成新药授权合作,确定性付款9.5亿美元……今年以来,我国新药的好消息不断。
2026-08-07 09:47
在数据要素赋能方面,2025年国家数据局发布了100个公共数据“跑起来”示范场景,联合19个部门组织举办2025年“数据要素×”大赛并发布241个典型案例。
2026-08-07 09:46
近日,北京市14家市属公园陆续迎来多款机器人“新员工”,它们在公园“上岗”,承担清洁清扫、智慧巡检、问询导览、水面救援、绿化养护、生态监测等多项任务,将智慧服务融入公共生活。
2026-08-07 03:10
团队攻克了满足多功能、智能化的海缆敷设双通道布缆作业系统设计技术,使作业系统具备高度自动化和智能化水平。
2026-08-06 09:48
近日,云深处自主研发生产的四足机器人完成海关通关后出口瑞士,用于当地厂区安防、地下管网隐患排查等业务场景。“核电安全标准严苛,产品能够在瑞士核电站成功落地,充分印证国产机器人的稳定性和可靠性,我们已达成扩产合作意向。
2026-08-06 09:48
记者6日从中国科学院高能物理所获悉,我国科研人员领衔的北京谱仪Ⅲ实验国际合作组,历经15年实验研究,首次证明一类全新物质形态——胶球的存在。
2026-08-06 09:47
记者5日从中国科学院近代物理研究所获悉,该所科研团队与合作者依托强流重离子加速器装置(HIAF),成功产生并鉴别了稀有原子核铪-153。实验中,团队利用HIAF增强器提供的铋-209束流轰击石墨靶,通过弹核碎裂反应产生放射性核素。
2026-08-06 09:47
加载更多