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　　多模态跨尺度生物医学成像设施大楼。新华社发

　　科研人员在多模态活体细胞成像装置高数值孔径全反射照明超分辨显微镜前工作。新华社发

　　 在北京怀柔科学城，能够全景式揭示生命奥秘的国家重大科技基础设施——多模态跨尺度生物医学成像设施刚刚建成。这个被称为“生命观象台”的基础设施，能够打破时空尺度壁垒，从分子事件到器官功能，为生命体拍摄全景式照片和视频，实现生命过程的系统性解码。

　　要想了解，先要“看到”

　　 生命体是自然界最复杂的物质运动形式，生命健康是社会发展永恒的主题。从极微观到生命个体，生命跨越了10个量级的时空尺度；从大分子到细胞、器官，到整个生命个体，生命表现为十多个层次的复杂结构。

　　 我们经常说，眼见为实。要想揭开生命的奥秘，首先就要“看到”不同时空尺度下生命体变化的过程。

　　 自300多年前人类第一次用显微镜看到细胞以来，成像技术一直是推动生命科学和医学进步的核心动力。从列文虎克显微镜下的微观世界，到现代医院的CT、MRI影像诊断，人类通过不断突破时空分辨率极限，逐步构建起对生命的认知体系。

　　 然而，传统成像技术受限于单一模态或特定尺度，难以实现生命动态过程的系统性解析。

　　 揭示生命奥秘的关键，在于建立从分子、细胞、组织、器官到整个生命个体与群落的跨尺度的整体观，借助跨越宏观、介观和微观各层次的成像技术，获取不同尺度的影像，从而系统性、整体性解析生命动态过程。

　　 生命的系统性、动态性和整体性本质呼唤着革命性观测工具的诞生和方法论的升级。

　　 唯有打破时空尺度壁垒，构建从分子事件到器官功能的全链条可视化体系，才能对生命体的结构与功能进行跨尺度、可视化地观测与精确测量，最终实现生命过程的系统性解码。

　　 2016年前后，我国科学家前瞻性地提出了“多模态跨尺度融合成像”的概念。所谓跨尺度，是指从分子到生命个体，生命跨越了10个量级的时空尺度， 覆盖从埃到米（10个数量级）、从毫秒到生命周期的时空范围。多模态，是指光、电、磁、声等诸多物理量，都可以与被观测的细胞、组织等对象发生相互作用，并以影像形式呈现生物样本的固有属性。

　　 多模态跨尺度融合成像，就是要打通尺度壁垒，有机整合不同成像模态，获取从分子到细胞再到人体跨层次的结构和功能信息，实现融合成像，打造一体化的生物医学成像技术集群。

　　 日前，“生命观象台”终于成真——多模态跨尺度生物医学成像设施在北京怀柔科学城通过国家验收！这一设施是“十三五”国家重大科技基础设施建设项目，将为生命科学研究和重大疾病诊治提供全尺度、多模态的成像技术支撑，助力全景式解析生命奥秘。

　　中国创造，“看到”生命的利器

　　 我国科研团队通过多学科交叉创新，在生物医学成像领域实现了一系列具有国际引领性的技术突破，实现跨越微观、介观、宏观尺度的成像技术与装备创新。从微观的细胞器互作到宏观的脑宇宙图谱，从分子代谢的动态追踪到全身功能的精准解析，成像技术的每一次突破，都深刻重塑了人类对生命本质的认知边界。通过多维度技术革新，为疾病机制解析、新药研发及精准诊疗开辟了前所未有的观察维度，正在重构生命科学与临床医学的研究范式。

　　 活细胞超分辨显微成像技术：透视活细胞中的细胞器。细胞是生命体基本的结构和功能单元，细胞以及细胞器的功能、它们之间相互作用是疾病治疗和药物开发等领域亟须了解的信息。然而，细胞中许多细胞器的结构在纳米量级，由于传统光学成像技术受到光学衍射极限限制，无法观察到纳米量级的生物结构。

　　 自2012年开始，我国科学家发展了一系列活细胞超分辨率成像技术与方法，突破光学衍射极限，实现了1小时以上长时程、564赫兹超快速以及60纳米高空间分辨率的活细胞超分辨成像。这使得我们能够看到原先看不见的东西——在活细胞中，可以看到这些细胞内的细胞器，还能看到这些分子从哪里来，到哪里去。这一技术突破为生命科学研究提供了更高精度的观察工具，具有重要的科学意义和应用价值。未来，该技术在临床诊断、药物开发等应用领域具有巨大潜力。

　　 微型化多光子显微成像技术：映照脑宇宙的星辰大海。大脑是一个极其复杂的小宇宙，包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触，如何打破尺度壁垒，在自由活动的生命体中观测到微观神经元和神经突触活动，是亟待解决的关键挑战。

　　 我国科学家自主研发的微型化多光子显微镜，实现了飞秒激光器的小型化、飞秒激光柔性传输，以及精密的微型化物镜等一系列底层技术的突破，成功研制出2.2克的微型化双光子显微镜以及2.17克微型化三光子显微镜。这些显微镜只有拇指大小，小动物可以戴着跑，在自由行为条件下观测大脑神经元动态的活动，开启了自由行为动物成像新范式。2023年，手持式双光子显微成像系统通过国家创新医疗器械审批，成为中国首个基于双光子原理的医疗器械。未来，微型化多光子技术将在生物医学领域持续释放其潜力，包括实现原位肿瘤细胞的实时观察，进一步推动生命科学和临床医学的发展。

　　 全人体PET/CT设备：开启全身成像革命。PET/CT（正电子发射计算机断层显像/X线计算机体层成像）代表了当代医学影像技术发展的最高水平，通过精确融合人体的解剖结构影像与人体的功能/代谢/生化影像，为临床诊断提供人体各脏器组织结构及功能最为全面的信息，为肿瘤、心脑血管疾病等重大疾病的精准诊疗提供了不可替代的支撑。然而，传统设备长期面临三大技术壁垒：全身扫描需多床位拼接导致成像失真，灵敏度不足制约儿童、孕妇等特殊群体应用，辐射剂量与扫描时长限制进一步临床普及。

　　 我国科学家已突破性研制出全人体PET/CT设备，以2米轴向视野实现“单床位全身成像”革命。该设备采用全数字化探测系统，创新集成7环探测器阵列，在达成小于300皮秒飞行时间分辨率的同时，独创性实现深度探测（DOI）校正功能。这一突破使系统灵敏度较传统设备提升40倍，等效辐射剂量相当于之前的1/40，仅相当于从北京飞往洛杉矶航程中宇宙射线的暴露量，空间分辨率达到国际领先的2毫米。目前，该设备主要用于科研，未来可用于研究药代动力学，观察病人服药以后各个器官的代谢情况。它在中医研究中也颇有价值——例如研究活性成分代谢或经络互作，为中医提供实验依据。

　　“数字生命”，引领生物医学未来

　　 今天的生命科学，在成像、组学、大数据和人工智能等技术推动下，正迎来以数字化为驱动的研究范式变革。

　　 多模态跨尺度生物医学成像设施通过国家验收，标志着国家“生命观象台”正式投入运行。

　　 借助这个科研平台，我国科研人员将启动“数字生命”计划，通过构建全尺度、多模态成像技术体系，为生命科学前沿探索和重大疾病诊疗提供革命性研究平台。

　　 “数字生命”计划的核心，是以全尺度生物医学成像为基础，融合组学、大数据和人工智能等前沿技术，构建从数字细胞到数字器官（类器官）、数字生命体的全尺度数字化生命模型。

　　 构建模型之后，我们就能通过跨学科交叉研究，揭示生命运行的基本原理，提供创新工具以指导生命元件合成和生命改造。

　　 更进一步，“数字生命”计划将为人体疾病诊防和治疗开辟全新路径，推动颠覆性新兴产业发展，为生物医学科技创新注入强大动力。

　　 这一计划已经迈出第一步——2025年2月，我国科学家与临床专家联合团队发布的“肾脏成像组计划”作为“数字肾脏”大科学计划的开端，将加速推动肾脏医学从“经验驱动”向“数据驱动”转型，探索器官数字生理、病理学研究新范式。

　　 可以说，多模态跨尺度生物医学成像以前所未有的方式融合光、声、电、磁、核素、电子等模态，结合信息与计算技术、大数据与人工智能技术，实现从埃到米、从微秒到生命周期的全景式的结构与功能成像，将有力地支撑大型生命科学与医学研究计划。在科学家与产业界的共同努力下，我国正在引领国际生物医学研究跨越式发展，支撑从基础理论到临床转化的全链条突破，催生“中国创造”的高端生物医学影像仪器装备产业集群，为守护人类健康提供中国方案。

　　 （作者：孙育杰、陈良怡、程和平，分别系北京大学博雅特聘教授；北京大学博雅特聘教授；中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授、北京大学国家生物医学成像科学中心主任）