清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導(dǎo)師吳嘉敏在調(diào)節(jié)多維多尺度計(jì)算攝像儀器的光學(xué)系統(tǒng)(2021年5月攝)。新華社發(fā)(清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室供圖)

大腦如何產(chǎn)生意識(shí)?腫瘤如何發(fā)生轉(zhuǎn)移?吳嘉敏希望自己參與研制的世界上獨(dú)一無二的顯微鏡，幫助人類揭開大腦的奧秘，并攻克癌癥、阿爾茲海默癥、帕金森病、癲癇等疾病。

這位年僅30歲的清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導(dǎo)師研究的方向橫跨了信息學(xué)、光學(xué)和生命科學(xué)。他近年參與研制的一系列多維多尺度計(jì)算攝像儀器被稱為“上帝視角”的顯微鏡，讓科學(xué)家第一次可以在哺乳動(dòng)物體內(nèi)研究大規(guī)模細(xì)胞之間的交互作用，相關(guān)科研成果刊登在《自然》《細(xì)胞》等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊。

【資料圖】

在清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，遮光簾幕下露出稀奇古怪的復(fù)雜零件，布滿整個(gè)桌臺(tái)。這是目前世界上唯一能夠?qū)崿F(xiàn)小鼠全腦范圍亞細(xì)胞分辨率動(dòng)態(tài)觀測的設(shè)備，是研究神經(jīng)回路工作機(jī)理與大范圍腫瘤轉(zhuǎn)移機(jī)制的利器。利用這一特殊的顯微鏡，科學(xué)家在2021年4月首次實(shí)現(xiàn)了在小鼠活體連續(xù)6個(gè)小時(shí)以上的毫秒級(jí)亞細(xì)胞分辨率三維動(dòng)態(tài)觀測。

吳嘉敏介紹，以往生命科學(xué)研究大部分局限于體外觀測，活體內(nèi)觀測常常面臨很大的挑戰(zhàn)。由于缺少從細(xì)胞到組織再到器官這一介于微觀與宏觀之間的介觀尺度活體觀測能力，極大限制了生命科學(xué)的進(jìn)展。

“以腦科學(xué)為例，大腦有意識(shí)，能夠做出認(rèn)知決策，但大腦每個(gè)神經(jīng)元不具備這樣的功能。神經(jīng)元之間到底是怎么聯(lián)系的?為什么能產(chǎn)生這種群體行為的功能?我們對(duì)單個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)已經(jīng)很了解了，但如果觀察不到神經(jīng)元之間的大規(guī)模相互作用，就無法從整體系統(tǒng)的角度去研究整個(gè)功能性的連接過程?！眳羌蚊粽f。

清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導(dǎo)師吳嘉敏在測試計(jì)算攝像編碼光照系統(tǒng)(2019年1月攝)。新華社發(fā)(清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室供圖)

要觀察大量神經(jīng)元的相互作用，就要求成像系統(tǒng)既能覆蓋很大的視野范圍，同時(shí)具備很高的分辨率，能夠看清單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)變化。“這就如同在巨大的體育館內(nèi)去追蹤幾百萬甚至幾千萬個(gè)乒乓球的高速運(yùn)動(dòng)。”吳嘉敏說。

“另外，活體內(nèi)觀測會(huì)受到非常多干擾，比如我在說話時(shí)，抖動(dòng)非常劇烈，這為高速三維成像帶來巨大挑戰(zhàn)。”傳統(tǒng)光學(xué)儀器是為人眼設(shè)計(jì)的，但吳嘉敏運(yùn)用信息學(xué)技術(shù)，專為機(jī)器設(shè)計(jì)“眼睛”，借鑒了昆蟲復(fù)眼精細(xì)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)，把龐大復(fù)雜的成像問題拆分成一系列并行的小問題，改變了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的理念。

他提出了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，能以前所未有的精度記錄空間中每一條光線的信息，并在數(shù)字世界中重新組織每一條光線，操控光的傳播，克服物理世界中光學(xué)像差的擾動(dòng)去恢復(fù)足夠高的空間分辨率，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜活體環(huán)境中的高分辨率高速三維觀測。

清華大學(xué)的研究人員利用該儀器在國際上第一次實(shí)現(xiàn)了清醒小鼠全腦皮層范圍內(nèi)亞細(xì)胞分辨率的動(dòng)態(tài)觀測;第一次在哺乳動(dòng)物體內(nèi)觀測到癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生遷移體的亞細(xì)胞級(jí)動(dòng)態(tài)變化。

吳嘉敏介紹，在癌癥治療研究方面，該技術(shù)可幫助臨床醫(yī)生在腫瘤切除手術(shù)中，實(shí)時(shí)快速判斷是否切除干凈，也可幫助科學(xué)家大范圍觀測腫瘤轉(zhuǎn)移的過程，研究其機(jī)制。

這是清華大學(xué)科學(xué)家利用多維多尺度計(jì)算攝像儀器拍攝的小鼠神經(jīng)圖片(2018年3月攝)。新華社發(fā)(清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室供圖)

中國工程院院士戴瓊海說，吳嘉敏的工作打開了從系統(tǒng)學(xué)角度理解復(fù)雜生命活動(dòng)，在不同生理病理?xiàng)l件下跨尺度變化的大門，有望揭示神經(jīng)回路、腫瘤轉(zhuǎn)移、免疫反應(yīng)新機(jī)理。

吳嘉敏說，研制的起始階段非常艱辛，如《桃花源記》中一樣，經(jīng)過幽深的小徑才突然豁然開朗，像打開一個(gè)新世界?！爱?dāng)我們有了新工具，就能看到以往從未見過的‘世界’，研究以前無法解答的問題。希望這能給生命科學(xué)家一些新的理解，產(chǎn)生新的思路和研究方法。”

他崇拜發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的弗朗西斯·克里克。這位原本研究X射線衍射的科學(xué)家把新的工具用到生命科學(xué)領(lǐng)域，帶來了重大突破。“我們也想做類似的事情。”

他說，光學(xué)是非常古老的學(xué)科，信息科學(xué)的出現(xiàn)給光學(xué)帶來很大改變。在學(xué)科大交叉的時(shí)代，需要不斷跨入新的領(lǐng)域。吳嘉敏說：“我做研究很大程度是受好奇心驅(qū)動(dòng)，希望可以做獨(dú)特的事?！?/p>

吳嘉敏希望不斷提高活體介觀顯微成像性能，看得更廣、更清晰、更快，捕捉到更多現(xiàn)象，并能讓新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。目前該團(tuán)隊(duì)已將顯微成像儀器從鋪滿一張桌臺(tái)縮小到一個(gè)鞋盒大小。這一系列儀器已在支持清華、北大、301醫(yī)院等20項(xiàng)創(chuàng)新性科學(xué)研究。

該團(tuán)隊(duì)已成立產(chǎn)業(yè)化公司，將數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)成像、自動(dòng)駕駛?cè)S感知等領(lǐng)域。此外，這一技術(shù)還可用于天文望遠(yuǎn)鏡，幫助克服大氣湍流對(duì)天文成像造成的干擾，實(shí)現(xiàn)大范圍高分辨率的觀測。

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